CN100429576C - 采用线栅偏振分束器与补偿器的投影显示器 - Google Patents

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Abstract

一种显示装置(10)包括形成光束(130)的光源(15)。预偏振器(45)使光束(130)偏振以提供偏振光束。线栅偏振分束器(50)接收偏振光束、透射具有第一偏振的偏振光束和反射具有第二偏振的偏振光束。反射空间光调制器(55)选择性地调制具有第一偏振的偏振光束以在其上进行图像数据编码以便形成调制光束(360)并使调制光束反射回线栅偏振分束器(50)。补偿器(260)在线栅偏振分束器(50)与反射空间光调制器(55)之间，调整调制光束(360)的斜射光和不交轴光。线栅偏振分束器(50)反射补偿的调制光束(360)并在平面内旋转以优化对比度。检偏器(60)从补偿的调制光束(360)中去除相反偏振态的残留光。图像形成光学器件(20)由补偿的调制光束(360)形成图像。

Description

采用线栅偏振分束器与补偿器的投影显示器
技术领域
本发明一般涉及采用液晶器件来形成图像的数字投影设备，更具体地说，涉及通过利用与液晶显示器(LCD)组合的稍微旋转的线栅偏振分束器和使像素黑色(OFF)状态的漏光减至最小的偏振补偿器来获得高对比度的设备和方法。
背景技术
为了被视为传统电影放映机的适当替代品，数字投影系统必须满足对图像质量的苛刻要求。特别是，为了提供对传统电影质量投影机的有竞争力的替代品，数字投影系统需要提供高分辨率、宽色域、高亮度(＞10000银幕流明)以及超过1000∶1的帧顺序制对比度。此外，数字系统还必须提供图像质量的稳定性、图像数据安全性、低设备购买和维护成本以及低数据分发成本，从而使替换基于传统胶片的系统势在必行。
数字影院投影的最有前景的解决方案采用两类空间光调制器之一作为图像形成器件。第一类空间光调制器是由Texas Instruments，Inc.，Dallas，TX开发的数字微镜器件(DMD)。DMD器件在多个专利中都有描述，其中包括例如美国专利4441791和5600383(均授予Hornbeck)。在大量专利中公开了采用DMD的投影设备的光学设计，这些专利包括美国专利5914818(Tejada等人)和6089717(Iwai)。虽然基于DMD的投影机证明了提供必要的光通过量、对比度以及色域的能力，但是目前的分辨率限制(1024×768像素)以及高的部件和系统成本已经限制了DMD用于高质量数字影院投影的可接受性。
第二类用于数字投影的空间光调制器是液晶器件(LCD)。LCD通过选择性地调制用于每个相应像素的入射光的偏振态，以像素阵列的形式形成图像。在高分辨率下，大面积LCD可以比DMD更容易制造。LCD是用于数字影院投影系统中的可行的替代调制器技术。在美国专利5808795(Shimomura等人)和5918961(Ueda)中公开了一些采用LCD空间光调制器的电子投影设备的实例。若干年前，JVC证明了基于LCD的投影机能够具有高分辨率(提供2000×1280像素)、高帧顺序对比度(超过1000∶1)以及高的光通过量(标称最大为12000流明)。这种系统利用由阴极射线管(CRT)驱动或寻址的三个垂直取向(VA)(也称为同向扭曲)LCD(每种颜色一个)。虽然这种系统证明了基于LCD的数字影院投影机的潜力，但是，系统复杂性和整体可靠性仍然受到关注。此外，该特定典型系统具有高的部件成本，这使其难以在数字影院投影市场上广泛推广。
JVC还开发了一种新的垂直取向LCD系列，它们直接经由硅背板(LCOS)寻址，而不是间接由CRT寻址。虽然这些新的器件是有发展前途的，但是尚未证明它们完全符合对数字影院演示的预期。在美国专利5652667(Kuragane)和5978056(Shintani等人)中部分描述了JVC LCD器件。与大多数扭转向列或胆甾型LCD相反，垂直取向LCD有望提供高得多的调制对比度(超过2000∶1)。应当指出，为了获得1000∶1或更高的屏幕帧顺序对比度，整个系统必须产生大于1000∶1的对比度，LCD和任何必要的偏振光学器件都必须各自分别提供～2000∶1对比度。值得注意的是，虽然偏振补偿后的垂直取向LCD在调制准直激光束时可以提供大于20000∶1的对比度，但是这些相同的调制器在调制相同的准直激光束时，如果不经过适当的偏振补偿，则只可以呈现出500∶1或者更小的对比度。调制对比度也取决于频谱带宽和入射光的角宽度(F#)，对比度一般随着带宽增大或F#减小而降低。LCD内的调制对比度还可能由于残留去偏振或者错定向偏振效应、比如热引入应力双折射而降低。这种效应可以在器件的远场中观察到，其中理想观察的“铁十字”偏振对比度图案呈现出退化图案。
如数字投影领域的技术人员显而易见的，基于LCD的电子投影系统所提供的光学性能大部分是由LCD本身的特性和支持LCD投影的偏振光学器件来定义的。偏振分离光学器件、如偏振分束器、预偏振器以及偏振器/检偏器部件的性能对于获得高对比度尤为重要。这些偏振光学部件在投影显示器的调制光学系统内组合的确切方式也可对最终得到的对比度产生明显影响。
用在许多投影系统中的最常见的常规偏振分束器方案是美国专利2403731中公开的传统MacNeille棱镜。这种器件已经证明可以提供好的消光比(大约为300∶1)。但是，这种标准棱镜仅对处于有限角度范围(几度)的入射光良好地起作用。由于MacNeille棱镜设计仅为一种偏振态提供了好的消光比，若入射光来自非偏振的白光源、比如来自氙或金属卤化物电弧灯，则采用这种器件的设计必须有效地放弃一半入射光。
基于MacNeille设计的常规玻璃偏振分束器设计具有除有限角度响应之外的其它局限，包括制造或热引入的应力双折射。这些可能使偏振对比度性能降低的效应可能对于中程电子投影应用是可接受的，但是对于影院投影应用是不容许的。热应力问题通过使用如美国专利5969861(Ueda等人)中所公开的更适当的低光弹性光学玻璃已得到改善，这是特别为用于偏振部件而设计的。遗憾的是，高制造成本和不确定的可用性限制了这种方案的应用。作为这些问题的结果，基于常规MacNeille的玻璃分束器设计为低到中程电子投影系统工作，在500-5000流明下工作，具有大约800∶1的对比度，达不到数字影院投影的要求。
已经提出了其它偏振分束器技术来满足基于LCD的数字影院投影系统的要求。例如，美国专利5912762(Li等人)中公开的分束器具有超过2000∶1的理论透射和反射消光比。这种棱镜提供通过六LCD系统使用两种偏振的可能，从而提高了系统光效率。但是，尺寸限制和极为严格的涂层容限严重妨碍了采用这种分束器设计的投影设备的商业化。
或者，液体填充的分束器[例如，参见美国专利5844722(Stephens)]已经证明提供高对比度应用所需的高消光比，并且具有在高强度光条件下的一些优点。但是，这些器件具有若干操作问题，包括温度敏感性、制造成本高以及必须制造得无尘或不含气泡。泄漏风险为这些器件提出了另一潜在缺点。
线栅偏振器已经出现了许多年，主要用于射频和远红外光学应用。把线栅偏振器用于可见光谱的光是有限的，主要是因为器件性能或制造的约束。例如，美国专利5383053(Hegg等人)公开了线栅分束器在虚拟图像显示设备中的应用，它具有高的光效率，但是对比度很低(6.3∶1)。美国专利5748368(Tamada)中公开了第二种用于可见光谱的线栅偏振器。虽然Tamada讨论的器件提供了偏振分离，但是对比度对于影院投影是不够的，设计必然局限于相当窄的波段。
最近，如美国专利6122103(Perkins等人)、6243199(Hansen等人)以及6288840(Perkins等人)中所公开的，已经开发了高质量的线栅偏振器和分束器以广泛用于可见光谱。这些新器件从Orem，UT的Moxtek Inc.可以买到。虽然现有的线栅偏振器，包括美国专利6122103和6243199中描述的器件，可能无法呈现获得数字影院投影所要求的高对比度所必需的性能特点，但是这些器件的确具有许多优点。当与标准偏振器相比时，线栅偏振器件呈现出相对较高的消光比和效率。此外，这些线栅器件的对比度性能还具有较广的接受角(数值孔径NA)以及更健壮的热性能，它比标准偏振器件热引入应力双折射的机会更小。此外，线栅偏振器相对于恶劣的环境条件如光强度、温度和振动等是健壮的。虽然一般这些市场上可以买到的线栅器件在可见光谱上工作得很好，但是偏振响应中固有的蓝衰退可意味着蓝通道可能需要额外的对比度增强来匹配红和绿，以便用于要求高的应用。
线栅偏振分束器(PBS)器件已经运用于一些数字投影设备中。例如，美国专利6243199(Hansen等人)公开了宽带线栅偏振分束器在投影显示应用中的使用。美国专利6234634(也授予Hansen等人)公开了一种同时用作数字图像投影系统中的偏振器和检偏器的线栅偏振分束器。美国专利6234634陈述了利用线栅PBS可以获得极低的有效F#，虽然对比度有一些损失。显然，美国专利6234634未讨论如何可以提升线栅偏振器的角度响应，也未讨论如何可以把偏振补偿与线栅器件和LCD结合使用，以减少光泄漏并提高对比度，特别是对于在低F#下工作的快速光学系统。
特别要关注并且与本发明的设备和方法相关的是，必须强调线栅偏振器或者线栅偏振分束器都不能单独地提供获得1000∶1或更高的期望投影系统帧顺序对比度所需的目标偏振消光比性能(标称＞2000∶1)，特别是在小F#(＜F/3.5)的情况下。最好是，这些部件都在最佳条件下提供小于1200∶1的对比度。重要的是，该性能在蓝光谱中进一步衰退。因此，为了使系统的光学部分(除LCD之外)获得期望的2000∶1对比度目标，必须利用各种各样的偏振器件、可能包括线栅偏振器件，与投影显示的调制光学系统组合。但是，不论是对一般的电子投影，还是专门对数字影院投影，设计与LCD、彩色光学器件以及投影透镜组合的包括线栅偏振器和偏振补偿器的偏振光学器件的最佳配置的问题尚未完全解决。此外，先有技术未说明如何为采用LCD和线栅器件的投影显示器设计调制光学系统，它还具有偏振补偿器以提高对比度。
现有大量的为普遍提高LCD、特别是垂直取向LCD的偏振性能而开发的偏振补偿器的实例。在最佳系统中，补偿器是同时为提高组合的LCD和偏振光学器件的性能而设计的。这些补偿器通常提供角度改变的双折射，以空间上变化的方式构造，影响发送光束的(一定空间和角度区域内)部分中的偏振态，而不影响光束的其它部分的偏振态。作为第一示例，美国专利4701028(Clerc等人)公开为具有限定厚度的垂直取向LCD设计的双折射补偿。作为另一示例，美国专利5039185(Uchida等人)公开了一种具有补偿器的垂直取向的LCD，其中包括在偏光片/检偏器对之间设置的至少两个单轴或两个双轴延迟器。此外，美国专利5298199(Hirose等人)公开了校正LCD中的光学双折射误差的双轴薄膜补偿器的使用，用于具有正交偏光片的封装中，其中LCD暗态具有非零电压(偏置电压)。
补偿器可以是复合结构，包括一层或多层薄膜、光胶合剂以及其它材料。例如，美国专利5619352(Koch等人)公开了补偿器件，可与扭转向列LCD配合使用，其中补偿器具有多层结构，根据需要使用A片、C片和O片的组合。
还可以设计偏振补偿器，它同时对组合的垂直取向LCD和偏振光学器件进行校正。前面讲述的这些先有技术的补偿器专利中的大多数假定LCD与偏光片组合使用，并且仅对LCD偏振误差进行校正。但是，已经明确地开发了偏振补偿器来校正来自传统Polaroid类型的染色偏光片的不均匀偏振误差。由E.H.Land在1929年开发的染色偏光片通过光的二向色性或者偏振选择性各向异性吸收来起作用。用于染色偏光片的补偿器在Chen等人的文章中有描述(J.Chen，K.-H.Kim，J.-J.Kyu，J.H.Souk，J.R.Kelly，P.J.Bos，“用于TN和VA LCD的最佳薄膜补偿模式”SID 98 Digest，第315-318页)，并且使用组合A片和C片构造。类似地，美国专利5576854(Schmidt等人)公开了一种为用于采用LCD与常规MacNeille棱镜型偏振分束器的投影设备中而构造的补偿器。这种补偿器包括用于补偿棱镜的1/4波片以及用于固有的LCD残留双折射效应的额外0.02λ补偿。
虽然此先有技术资料广泛地详细说明了在各种条件下使用的偏振补偿器的设计，但是在先有技术中未公开明确开发并且为与线栅偏振器和垂直取向LCD配合使用而优化的补偿器。为了获得高亮度级别，光学系统最好是具有高数值孔径(＞～0.13)，使得它能够在更大的偏斜角上收集入射光。维持高亮度和高对比度的相互矛盾的目标为偏振元件提出了重大的设计难题。OFF状态的光泄露必须最小，以便得到高的对比度级别。然而，对于得到高亮度所需的偏斜角上的入射光，光泄漏是最明显的。
但是，如序列号为10/040663的共同转让共同未决的美国专利申请中所公开的，为线栅偏振器和偏振分束器已经开发并优化了偏振补偿器。具体来讲，该申请描述了为线栅器件设计的补偿器以及为还与垂直取向的LCD和用于垂直取向的LCD的补偿器配合工作的线栅器件而设计的补偿器。已经证明，包括线栅偏振器、线栅偏振分束器、垂直取向的LCD以及定制的偏振补偿器的调制光学系统可以在大的入射角范围(小F)上提供超过1000∶1目标的偏振对比度。
但是，这种系统中使用的偏振补偿器的制造可能较为困难，因为随补偿器设计而定，需要延迟的特定值和取向，并且从现有材料的组合中装配。通常，这些材料是薄膜片、如聚碳酸酯或乙酸盐，其光延迟取决于材料属性和薄膜制造方法。然后可以通过把这些薄膜的适当组合堆叠在玻片之间，同时插入光胶合剂层以提供光学指数匹配，从而组装补偿器。组装的补偿器必须没有灰尘和气泡，并且在大的热(光)负荷的情况下提供一贯的空间上一致的延迟量。或者，具有标称目标延迟量的补偿层可以直接旋涂在玻璃衬底上，从而潜在地简化补偿器器件的构造。但是，需要具有不同属性的多个延迟层的补偿器的构造仍然是困难的。此外，校正固有的残留双折射所需的最佳延迟量(比如先前提到的0.02λ)可能在不同器件之间明显不同。理论上，但很可能不实际，这意味着，为了使各个器件的对比度最大化需要通过适当优化的补偿器来匹配各LCD。
发明内容
举出在提供使偏振器和LCD的偏振响应最大的健壮一致偏振补偿器的这些各种困难，显然简化这些补偿器的使用的调制光学系统的设计是一种改进。一般，先有技术未说明如何为同时采用LCD和线栅偏振器件的投影显示器设计和优化调制光学系统，该系统还具有偏振补偿器以提高对比度。因此，可以看出，需要一种改进的投影设备，它使用组合的线栅偏振器件、垂直取向的LCD以及偏振补偿器以提供高对比度输出。具体来讲，本发明描述一种调制光学系统，它可以用于投影显示系统、印刷系统中或者用于其它应用，其中略微旋转线栅偏振器，以便引入延迟量，从而调整LCD和偏振补偿器的性能，或者简化偏振补偿器的设计和构造，或者提供偏振补偿器的代替品，视给定系统的设计具体情况而定。
简要地说，根据本发明的一个方面，一种显示设备包括用于形成光束的光源。预偏振器使光束偏振以提供偏振光束。线栅偏振分束器接收偏振光束并且透射具有第一偏振的偏振光束和反射具有第二偏振的偏振光束。反射空间光调制器选择性地调制具有第一偏振的偏振光束以在其上进行图像数据编码，以便形成调制光束，并将调制光束反射回线栅偏振分束器。补偿器位于线栅偏振分束器与反射空间光调制器之间，用于调整调制光束的斜射光和不交轴光。线栅偏振分束器反射补偿后的调制光束并且在平面内旋转线栅偏振分束器以优化对比度。检偏器从补偿后的调制光束中去除相反偏振态的残留光。图像形成光学器件从补偿后的调制光束形成图像。
在以下提供的最佳实施例的详细描述中，本发明及其目的和优点将变得更加明显。
附图说明
虽然说明书以具体指出本发明主题并明确要求其权利的权利要求书作为总结，但是应当认为，从以下结合附图的描述中可以更好地理解本发明，图中：
图1是说明投影设备中的光学部件的配置的示意图；
图2是先有技术的线栅偏振器的透视图；
图3是说明包括线栅偏振分束器的调制光学系统的剖面图；
图4是说明在各种偏振补偿情况下测量的、同时包括线栅偏振分束器和LCD的调制光学系统的对比度与F#之间关系的一系列曲线；
图5a说明入射光相对于调制光学系统中的线栅偏振分束器和LCD的几何关系，说明了偏振态以及局部光束几何关系；
图5b说明通常入射光相对于正交偏振器的偏振态的几何关系；
图6a和6b说明没有偏振补偿的正交线栅偏振器的角度响应；
图7a-7e说明偏振补偿器的可能的轴取向和构造；以及
图8表示的是剖视图，说明包括线栅偏振分束器的另一种调制光学系统。
具体实施方式
本描述具体针对根据本发明的设备的元件形成部分或者直接与本发明的设备结合。应当理解，未具体表示或描述的元件可采取本领域的技术人员熟知的形式。
参照图1，以简要形式表示出数字投影设备10中的光学部件的配置，如序列号为09/813207的共同转让共同未决的美国专利申请中所述。照明光学器件20和预偏振器45预先调节来自光源15的光，从而提供基本上均匀并且经过偏振的照明。照明光学器件20包括均匀化光学器件、如积分条或蝇眼积分器组件，以及聚光转象光学器件组件。随后预偏振器45使这束光偏振，所需偏振态的光被引向偏振分束器，而舍弃的另一偏振态的光名义上向光源反射回去。预偏振器45是调制光学系统40的一部分，该系统还包括线栅偏振分束器50、偏振变更空间光调制器55以及检偏器60。名义上，线栅偏振分束器50透射具有优选偏振态的入射光，而把其余具有另一偏振态的入射光反射出系统。入射光由名义上为液晶显示器(LCD)的空间光调制器55进行调制，从而把二维图像编码到光上，然后作为调制光束反射。线栅偏振分束器50反射调制光束中具有一种偏振态的光，并透射具有另一偏振态的光。然后，投影光学器件70把反射的调制光束引导到显示表面75，显示表面名义上为投影屏。通常，光源15发出的可见光被分成三个颜色通道(红、绿、蓝)，其中每个通道中的光与其自己的调制光学系统40交互作用，该系统40中包括其自己的空间光调制器55。这些通道可以由重组棱镜65重新组合，以便投影到显示表面75上。
数字投影设备10和调制光学系统40的设计都可以从这些系统中使用的线栅偏振器的属性的进一步讨论中得到更好的理解。图2说明基本的先有技术的线栅偏振器并且定义先有技术和本发明的一系列说明示例中使用的术语。线栅偏振器100包括由介质衬底120支撑的许多平行导电元件(导线)110和沟槽115。该器件的特征在于：导体的栅线间距或节距或周期，标为(p)；各个导体的宽度，标为(w)；导体的厚度，标为(t)。线栅偏振器采用子波长结构，使得节距(p)、导体或导线宽度(w)以及导体或导线厚度(t)都小于入射光的波长(λ)。虽然导线厚度(t)实际上可以超过波长，但是对于大多数设计并非如此。光源132所产生的光束130与法线成θ角入射到线栅偏振器100上，入射面垂直于导电元件。线栅偏振器100把此光束分成镜面无衍射出射光束；反射光束140和透射光束150。所用的S和P偏振的定义是：S偏振光是其偏振矢量平行于导电元件的光，而P偏振光的偏振矢量垂直于导电元件。一般，线栅偏振器将反射其电场矢量平行(“S”偏振)于线栅的光，并且透射其电场矢量垂直(“P”偏振)于线栅的光。线栅偏振器100是一种有些特殊的偏振器件，因为它在透射中是E型偏振器(透射非常光线)并且在反射中是O型偏振器(反射寻常光线)。
当这种器件用于垂直入射(θ＝0度)时，反射光束140通常被改变方向发往光源132，并且该器件称为偏振器。但是，当这种器件用于非垂直入射时(通常30°＜θ＜60°)，照射光束130、反射光束140以及透射光束150沿不同的可分离路径，并且该器件称为偏振分束器。线栅器件的有关导线节距(p)、导线宽度(w)、导线占空度(w/p)以及导线厚度(t)的详细设计可以针对用作偏振器或偏振分束器而进行不同的优化。应当理解，数字影设备10和调制光学系统40当采用偏振修改空间光调制器来设计时，都可以使用不同于线栅型器件的检偏器和偏振分束器。例如，偏振分束器可以是MacNeille型玻璃棱镜，或者偏振器可以是任何基于染料/聚合物的偏光片。但是，对于本讨论，偏振分束器50、预偏振器45以及检偏器60都统统假定为线栅器件，但是这不是所有投影机配置都要求的。
图3中说明如调制光学系统200中所用的这些偏振器的最佳空间关系。调制光学系统200是图1的调制光学系统40的扩展和更详细形式。前面提到的序列号为09/813207的共同转让共同未决的美国专利申请中描述了调制光学系统200的基本结构和操作。作为电子投影系统(或打印机系统)的组成部分的调制光学系统200包括入射照明光束220，它被聚光器225聚焦并穿过预偏振器230、线栅偏振分束器240以及补偿器260，并且到达空间光调制器210(LCD)上。调制后的图像承载光束290从空间光调制器210的表面反射并通过补偿器260透射，从线栅偏振分束器240反射出来，然后通过检偏器270透射。在离开调制光学系统200之后，调制图像承载光束290沿着光轴275并且透过重组棱镜280和投影透镜285，从而到达屏幕(或者到达光敏介质)。再次假定预偏振器230和检偏器270都是线栅偏振器件。全色投影系统对每种颜色(红、绿、蓝)采用一种调制光学系统200，通过重组棱镜280来重新组合颜色光束。可包括若干透镜元件的聚光器225是更大规模照明系统的一部分，它将光源的光转换成矩形区域的名义上均匀的光，该光名义上充满空间光调制器210的有效区域。
在利用先有技术的线栅偏振分束器的调制光学系统200中，线栅偏振分束器240由一面上带有子波长导线250(导线的比例被极度夸大)的介质衬底245构成。设置线栅偏振分束器240以反射到投影透镜系统285中，从而避免通过倾斜的片透射而引入的像散性和彗差。更简单的是，补偿器260是提供补偿几何缺陷和在空间光调制器210表面产生的双折射效应所需要的少量延迟的波片。例如，如美国专利5576854(Schmidt等人)中所讨论的，补偿器260可以提供0.02λ的延迟(A-片)，以便校正由LCD偏振层的残留几何缺陷导致的偏振误差以及LCD封装内的反电极衬底内的残留热引入双折射。在与数字影院相比要求不高的应用中，补偿器260可以是可选的。
如数字影院所用的调制光学系统200的构造是由系统规范和可用线栅偏振器件的限制来定义的。具体地说，数字影院要求电子投影机提供高的帧顺序制对比度(1000∶1或更高)。为了实现这一点，除调制光学系统200的空间光调制器210(LCD)之外的偏振光学部件必须提供2000∶1的总光学系统对比度(Cs)。偏振光学器件的实际目标对比度当然取决于LCD的性能。因此，如果LCD仅提供1500∶1的对比度，则偏振光学器件必须提供3000∶1的对比度。对于数字影院，具有垂直取向(VA)分子的LCD是优选的，因为它们具有高的固有对比度。值得注意的是，LCD和偏振光学器件的对比度性能通常会随着入射光束的数值孔径增大而减小。遗憾的是，在现有技术水平下，仅使用单个线栅偏振分束器240本身以便满足偏振光学器件的2000∶1的目标对比度是不够的。为此，调制光学系统200还采用线栅预偏振器230和线栅检偏器270来提供目标偏振性能。
调制光学系统200的构造和操作可以联系其偏振性能来更详细地理解。最好是，预偏振器230这样定向，以便让“P”偏振光透射到调制光学系统中。线栅偏振分束器240这样定向，使其子波长导线图案名义上定向平行于偏振器230的子波长导线(也就是说，两种器件不交叉)。因此，透射的“P”光通过从线栅偏振分束器240中透射而得到进一步修改(增加了对比度)。然后，透射光束穿过补偿器260，碰到名义上为反射LCD的空间光调制器210，它根据施加的电压逐个像素地修改入射光的偏振态。白与黑之间的中间代码值减小了“On”状态的数量，增大了“Off”状态光的数量。“On”状态光具有旋转的偏振，相对于线栅偏振分束器240处于“S”偏振态。因此，“S”状态光从线栅偏振分束器240反射出来，随后透过检偏器270，并且通过投影透镜285引到屏幕。调制光学系统200的整体对比度(Cs)(忽略LCD和补偿器的贡献)可以大致表示为：
1/Cs＝1/(CT1*CT2)+1/(CR2*CT3)
其中CT1是线栅预偏振器230的透射对比度，CT2和CR2是线栅偏振分束器240的透射和反射对比度，而CT3是线栅检偏器270的透射对比度。在此系统中，整体对比度主要由离开线栅偏振分束器240的“S”偏振态光的低反射对比度CR2决定。检偏器对比度CT3需要相当高以补偿低CR2值(～30∶1)。而透射对比度CT1和CT2不必特别高，只要相应的对比度值在整个光谱上是适度均匀的。检偏器270这样定向，使得从线栅偏振分束器240反射并且相对于线栅偏振分束器240具有“S”偏振的“On”状态光相对于检偏器自身结构来看此光为“P”状态光。因此，检偏器270去除伴随所需“On”状态光束的任何其它偏振泄漏光。例如，对于在550nm的绿光，线栅偏振分束器240和线栅预偏振器230的组合提供仅25∶1的屏幕上帧顺序光对比度。但是，当这些偏振器通过线栅检偏器270来补足时，理论上整体系统对比度Cs被提升到～2900∶1。
调制光学系统200最佳构造中线栅偏振分束器240是这样定向的：带有子波长导线250的表面朝着空间光调制器210，而不是朝着照明光学器件(聚光器225)以及光源(见图3)。虽然当采用这种定向时，整体对比度(Cs)为～2900∶1，但是，当采用另一种定向(表面上的导线朝着光源)时，净对比度急剧降低到～250∶1。(注意：在此测试中，空间光调制器210(LCD)被镜子和四分之一波片代替)。这种对比度的下跌是由玻璃衬底中的应力双折射造成的，这可能归咎于玻璃本身的先天质量或者光吸收中热引入应力双折射。在最佳定向中，玻璃衬底245布置成子波长导线250朝着空间光调制器210，调制图像承载光束290被导线反射而不会碰到衬底以及其内的任何应力双折射，从而维持高对比度。当线栅偏振分束器240的子波长导线250“垂直”(如图所示，“进入页面”)而不是“水平”(在页面的平面内)定向时，调制光学系统200还提供最高对比度和光效率。
为了构建数字影院投影机，在照亮35-55英尺宽屏幕、同时处理各种光学器件、线栅器件以及LCD的限制的系统中，必须同时使亮度(10000-15000流明)和对比度(1000∶1+)最大。通过增加在线栅偏振分束器和LCD入射的光的接受角(数值孔径)，可以使亮度最大。建模建议基于LCD的数字影院投影机需要在低于F/3.0下工作，以便满足屏幕亮度目标，F/2.0到F/2.3的系统速度是潜在要求的。但是，入射在线栅偏振分束器上的源光的角越宽，会增加从其它偏振态的泄漏光，从而降低可用对比度。测量表明，若组装系统时不用偏振补偿器，调制光学系统200(包括线栅预偏振器230、线栅偏振分束器240、VA LCD以及线栅检偏器270)的对比度在～F/2.3仅为～500∶1。
具体来讲，如图4所示，其中画出未经补偿的系统对比度300对F#的曲线，对于采用作为空间光调制器210的VA LCD、但未采用补偿器260组装的调制光学系统200，在F/2.3测得的对比度仅有～490∶1。此外，采用这一特定VA LCD(器件“A”)测量的未经补偿的系统对比度300在F/10仍然是低的(仅有～630∶1)。
虽然调制光学系统200内的大量因素可能降低偏振对比度，但是，这种对比度损失可以若干方式来证明。图6a说明正交偏振器的偏振对比度分布，在角空间中可见的是ISO对比度曲线，称为“铁十字”。铁十字图案320表明在平行于和垂直于检偏器的线栅的方向上的峰值消光，并且在四个轴外象限中对于不交轴光线和斜射线的减小消光。由于与大多数现有偏振器相比、线栅偏振分束器具有优良的角性能，所以这些器件一般视为没有不交轴光线问题，因此不需要另外的偏振补偿。部分原因是，线栅偏振分束器在反射中起到O型偏振器的作用，而在透射中起到E型偏振器的作用，因此当同时用于调制光学系统200中的透射和反射时是部分自我补偿的。
图6a的“铁十字”图解说明还表示如通过正交偏振器所看到的理想VA LCD的标称偏振响应，假定它相对于分子排列具有与垂直之间可忽略的内倾角。遗憾的是，对比度还可能由于VA-LCD内诸如大的倾角、OFF状态偏置电压、热引入应力以及大入射角(大的NA)等各种微妙影响而降低。这些影响可能导致对比度普遍降低而铁十字图案320仍保持，或者导致铁十字图案320变形成另一消光图案(如图6b所示的“棒球”图案325)。例如，VA-LCD内的仅3-4nm的残留XY延迟会导致器件输出棒球图案325而不是铁十字图案320。随着ISO对比度偏离铁十字图案越来越远，总的综合对比度通常也会下降。源自线栅偏振分束器240、源自诸如导线表面定向、导线旋转以及大入射角之类的影响的对比度降低也可能以类似方式使铁十字图案320退化。
这可以通过考虑偏振光怎样穿过调制光学系统200来更好地理解。图5a是透视图，表示关于一部分LCD 210，由调制光学系统内的线栅偏振分束器240反射和从中透射的光的光偏振态。预偏振的光束350从线栅偏振分束器240中透射。如图5a所示，透射光束355的电场偏振是在垂直于线栅偏振分束器240的线栅的矢量上。从LCD210上的像素反射返回调制光束360，其中“S”偏振光是图像数据，“P”偏振光被丢弃。理想情况下，线栅偏振分束器240透射100％的不想要的“p”光作为调制透射光370。但是，少量泄漏光365从线栅偏振分束器240反射并且伴随“s”调制光束360，导致对比度降低(“s”与“p”之比)。通过线栅检偏器270进一步减小泄漏光365的量。相对于调制光束360，线栅分束器在透射中起到预偏振器的作用，在反射中起到检偏器的作用，在某种意义上包括典型正交偏振器配置。
虽然同轴准直光确实出现偏振对比度的一些损失，但是对于斜射线和不交轴光线，这些效果更加惊人。为了更好地理解这一点，图5a包括入射在线栅偏振分束器240的45°倾斜面上的大NA非镜面光束的光束几何结构的说明，而图5b表示垂直于表面(诸如LCD 210、预偏振器230或检偏器270)入射的类似非镜面光束的几何结构。对于垂直入射情况，进来的光束由0-180°方位角摆动来描述，而角的极角摆动是有限的(对于F/2.0是0-15°)。斜射线是那些落在由正交偏振器定义的轴(方位角0°和180°，90°和270°)外的四个象限中的射线，处于包含局部光轴275的平面中。不交轴光线是处于不包含局部光轴275的面中的射线。对于入射到45°倾斜面的情况，进来的光线还是由0-180°的方位角摆动来定义，而角的极角摆动包括相对于光轴～0-15°，或者相对于线栅表面～30-60°的摆动，这些斜射线和不交轴光线就是铁十字图案320的四象限中观察到的减小对比度的原因。例如，沿着轴的峰值对比度可超过1000∶1，而与相交的坐标轴偏离45度的四象限中的对比度下降至300∶1或更小。
如上所述，部分地包括线栅预偏振器230、线栅偏振分束器240、垂直取向LCD 210以及线栅检偏器270的调制光学系统200名义上在F/2.3仅提供绿色中的～500∶1的对比度，这低于技术规范。但是，作为一种解决方案，通过使用适当的补偿器，可以提高该系统对比度以符合或超过技术规范。
补偿器和偏振器是由具有多个折射率的双折射材料来构造的。相比之下，各向同性介质(如玻璃)具有单一的折射率，而单轴介质(如液晶)具有两个折射率。光学材料可以具有多达三个主折射率。具有全部三个不同折射率的材料称为双轴的，并且由其主折射率nx0、ny0、nz0来唯一指定，三个定向角如图7a所示。图7b表示具有分别与x、y、z轴对准的nx0、ny0、nz0轴的双轴薄膜。具有两个相等的主折射率的材料称为单轴材料(见图7c)。这两个相等的折射率是寻常折射率，表示为no。其它不同的折射率称为非常折射率ne。ne的轴也称为补偿器光轴。单轴材料由ne、no以及描述补偿器光轴的定向的两个角来唯一地表征。当全部的三个主折射率相等时，材料称为各向同性的。
光在穿过单轴或双轴材料时，接受随其电场偏振方向而改变的有效折射率，因此，在电场的两种本征模式之间引入相差(Δφ)。这个相差随着光的传播方向而改变，所以当单轴或双轴材料放在两个正交偏振器之间时，光的传输随角度而改变。对于按照并非沿着光轴或平行于光轴的路径传播的光线，这些相差Δφ转换成局部偏振取向的修改。具体来讲，补偿器一般修改或调节处于大的极角的光线的局部偏振取向，这些光线还同时包括斜射线和不交轴光线。液晶材料通常是单轴材料。当它如在液晶显示器中一样夹在两个衬底之间时，它的光轴一般在厚度方向上变化，随其在衬底上的固定和施加在该厚度上的电压而定。
补偿器通过一个或多个单轴和/或双轴薄膜来构造，这些薄膜被设计成引入角度相关的相差，以便抵消由液晶或其它光学器件引入的角度相关的相差。如本领域中众所周知的，光轴平行于薄膜面的单轴薄膜称为A-片，如图7c所示，而光轴垂直于薄膜面的单轴薄膜称为C-片，如图7d所示。或者，A-片可描述为在补偿器面中提供XY双折射(具有XY延迟的各向异性介质)，而C-片在光束传播方向上沿光轴提供Z双折射。ne大于no的单轴材料称为正双折射。类似地，ne小于no的单轴材料称为负双折射。A-片和C-片都可以是正或负的，随其ne和no而定。更复杂的多层补偿器400具有在其厚度方向上改变的光轴或三个主折射率轴，如图7e所示，其中补偿薄膜的堆叠(双折射层410a、410b、410c)与衬底420一起使用，组成完整的补偿器。堆叠补偿的详细讨论可见于美国专利5619352(Koch等人)。如本领域中众所周知的，C-片可以通过使用单轴压缩的聚合物或者铸造醋酸纤维来制造，而A-片可以通过拉伸的聚合物薄膜、如聚乙烯醇或聚碳酸酯来制造。
如序列号为10/040663的共同转让共同未决的美国专利申请中所讨论的，偏振补偿器可以专门设计，以便同时提高线栅偏振器和线栅偏振分束器的偏振角度响应。如该申请中所讨论的，利用严格耦合的波分析(RCWA)方法，典型可见波长线栅偏振器的建模表明光透射对角度的明显增大。这些线栅偏振器以铝线结构来建立模型，所述铝线结构淀积在康宁玻璃1737F上，线节距为144nm(～λ/4)，线占空度为0.45，线高度为130nm。在绿波段(550nm)，在20度(F/1.5)和45度方位角(对应于图6a的铁十字图案320的轴外象限)的透射是其在0度的极角下的2.5倍。在甚至更大的极角(40度)下，透射(泄漏光)可能是它在轴上时的～10倍。由于对于正交偏振器对比度大致与透射成反比，透射光的这种增加(光泄漏)可能导致系统对比度的巨大变化。
如序列号为10/040663的美国专利申请中进一步讨论的，典型偏振补偿器被设计成同时提高十字形线栅偏振器(图3的预偏振器230和检偏器270)和线栅偏振分束器240的性能。具体来讲，典型偏振补偿器被设计成使取向在45°的线栅偏振分束器240的组合透射性能对角度优化。一种这样的补偿器被设计成两个特定双折射薄膜、即+90nm的A-片和+320nm的C-片的组合。通过这种补偿器，与未经补偿的线栅偏振分束器相比，在45度的方位角的Off状态的光的透射(泄漏光)在从15°到30°的大极角范围上被减小2倍或更多。同时，轴上透射不受影响(不退化)，因为补偿和未补偿的值仍然是相同的。利用这种补偿器有效地改变图6a的铁十字图案320，使其在更大的角度范围上是“黑”(高对比度光消光)。
在该典型补偿器的分层结构中，A-片最好是比C-片更接近线栅偏振分束器，C-片更接近LCD。A-片的光轴平行于相邻偏振器的透射轴(垂直于线)。这种补偿器由图3的调制光学系统200中的补偿器260来表示，并且位于线栅偏振分束器240和液晶空间光调制器210之间。这是调制光学系统200内的这种补偿器的唯一可接受位置。
应当理解，补偿器，无论是用于线栅偏振器，还是用于线栅偏振分束器，都可以用任意种方式来设计。例如，单个双轴薄膜可用来代替A-片和C-片的组合。类似地，补偿器可以按照相反顺序来设计，在A-片之前遇到C-片。但是，当顺序交换之后，所设计的双折射值很可能改变。还应理解，可以在先前的A-片和C-片补偿器设计上添加额外的A-片和/或C-片和/或双轴薄膜。补偿器可以这样构造，将其双折射薄膜夹在两个玻璃衬底之间，并且光学匹配胶合剂或凝胶将这些元件固定在一起。在该情况下，任何玻璃到空气的面应当用AR涂敷。
类似地，如Mi等人的申请中讨论的，通过线栅偏振分束器来看，通过提供改善LCD性能的偏振补偿器，可以提高图3的调制光学系统200的整体对比度性能。这与美国专利5576854(Schmidt等人)的先有技术实例的概念类似，其中描述了一种补偿器，它为与MacNeille分束器组合工作的VA LCD进行优化。如该专利所公开的，采用0.27λ补偿器，其中0.25λ补偿MacNeille棱镜，而0.02λ补偿LCD的反电极衬底中的残留应力双折射。因此，对于当前的垂直取向LCD与线栅偏振分束器组合的情况，不需要用于补偿MacNeille型棱镜的0.25λ的延迟。但是，以A-片的形式提供的残留0.02λ的延迟(～11nmXY)可能对于校正VA LCD内的应力双折射仍然有用，甚至在使用线栅分束器时也是如此。
前面提到的申请(Mi等人)中也考虑了与用于数字影院的调制光学系统200内的VA-LCD配合使用的偏振补偿器的设计。其中指出，调制光学系统200把VA LCD放在不寻常的快光学系统(大约＜F/3.0)中。在该情况下，负C-片可用来校正液晶的视角相关性。这种负C-片应当具有与VA-LCD相同的Z延迟量，通常可以为～160-300nm。因此，在这种情况下，对于与线栅偏振分束器组合用于快光束的反射VA-LCD的最佳补偿器包括负C-片(例如-233nm的延迟)和可旋转的正A-片(例如～11nm的延迟)。
再者，当在OFF状态通过正交偏振器观看理想或接近理想的VA-LCD时，ISO对比度表明与图6a类似的“铁十字”图案320。这种图案指出沿光轴(球形图案的中心)、沿平行于或垂直于正交偏振器的透射轴的方向有最小光，但是在四象限中可以预期有泄漏光。但是，对于位于正交偏振器之间的未经补偿的理想VA-LCD，在45°方位角下具有F/2.3照明的模拟的偏振消光到仅～3.5°的极角超过～1000∶1。通过比较，采用提高快光束的对比度的适当C-片补偿器(-233nm的延迟)模拟的相同VA-LCD被模拟成到超过13°极角具有1000∶1的对比度。对于非理想VA-LCD、比如具有大的残留XY延迟(例如11nm)的LCD，可以获得类似改进，当通过正交偏振器来看时，这些LCD本身给出退化的ISO对比度棒球图案325。当这种LCD与适当设计(例如-233nm C-片和11nm A-片)的偏振补偿器配对时，对比度在大的角度范围上得到明显提高。
根据偏振补偿器、偏振器的设计性能以及给定LCD的特定属性，可以在远场中以不同方式呈现出提高的对比度。例如，偏振补偿器可以把铁十字ISO-对比度(如图6a所示)改变为“更黑”的铁十字，其中高对比度消光扩展到较高的角，特别是在四个象限中。或者，偏振补偿器也可以改变ISO-对比度，使其看上去为覆盖大的角度摆动的名义上圆形的区域，其中对比度统一为黑的。类似地，提供ISO对比度棒球图案的采用未补偿的LCD的调制光学系统，当使用适当匹配的偏振补偿器时，可以提供或者黑的铁十字或者黑的均匀球形ISO对比度图案。用于VA-LCD的偏振补偿器可以插入图3的调制光学系统200，刚刚在LCD 210之前，如补偿器260。
正如也在前面提到的申请(Mi等人)中讨论的，用于线栅偏振分束器240和LCD 210的偏振补偿器协同定位于这两个部件之间，并且可以组成一个封装的补偿器装置(补偿器260)。此外，可以使用综合补偿器，它包括单个C-片，其中净延迟由为VA-LCD补偿器和线栅偏振分束器补偿器计算的C-片延迟来确定。净C-片延迟可以较小或较大，随输入C-片值的符号(正或负双折射)而定。在先前的实例中，用于线栅偏振分束器的C-片补偿器具有+320nm延迟，而用于VA-LCD的C-片补偿器具有-233nm双折射。因此，当这两个C-片设计组合时，留下的C-片仅具有～87nm延迟。组合的补偿器260则包括用于VA LCD的11nm A-片(0.02λ的补偿)，依次用于线栅偏振分束器240的87nmC-片以及90nm A-片，其中11nm A-片最接近LCD
210。这两个A-片不能简单地组合，因为11nm A-片要求可旋转，而90nm A-片具有相对于子波长导线250固定的取向。可以旋转整个或部分的补偿器260，以便使对比度或光效率或者两者优化。
再次考虑图4，对于采用VA-LCD和偏振补偿器260测试的调制光学系统200的情况，表示出XYZ补偿后的系统对比度450。在此实例中，VA-LCD是用来收集关于未补偿的系统对比度300的数据的同一个器件(器件“A”)，补偿器260专门由180nm C-片(用于Z)和12nm A-片(用于XY)构成。(注意：这种补偿器包括仅用于VA-LCD的典型校正延迟，没有包括用于校正线栅偏振分束器的典型延迟。)如通过比较未补偿的系统对比度300与XYZ补偿后的系统对比度450可以看出，在F/2.3测量的对比度显著提高到～1670∶1。此外，对于此器件“A”VA-LCD和补偿器组合，从F/2.3到F/10对比度显著提高，它在整个范围上保持在1600∶1以上。
正如可看到的，在先前的申请(Mi等人)中建议的偏振补偿器需要相当复杂的结构。无论补偿器260的设计是否具有为VA-LCD、线栅偏振分束器或者两者的组合校正的取向层，这都是事实。补偿器的成功制造取决于组成薄膜的材料属性、所用的层数、层的优先取向以及所用的玻璃和胶合剂的属性。此外，组装的补偿器可以在低亮度级工作，但是无法在高亮度级工作，因为热负荷增加。这对于高流明投影系统、比如用于数字影院的系统是个问题。此外，还难以可靠地制造非常小的延迟、如所述的与VA-LCD配合使用的11nmA-片延迟。此外，实际上，前面给出的这些目标延迟(如-233nm C片和11nm A片)仅是标称的，并且最佳延迟值对于不同的器件变化相当大，甚至在名义上完全一样的器件的一次运行中都不相同。例如，测试三个VA-LCD的小样本，确定为了使对比度最优化，一个器件(器件“A，，)需要～11-12nm的XY延迟，另一个(器件“B”)需要仅～2-3nm的XY延迟，第三个器件(“C”)需要大于18nm的XY延迟。这些器件的理想Z延迟也是变化的，虽然只是在较小范围上变化。与调制光学系统200的制造相比，将特定补偿器与特定LCD匹配以便使各器件的对比度性能优化，可以证明是不实际的或者成本高得难以接受。
实际上，具有正确XY偏振补偿的A-片的出现对于获得一些LCD所要求的对比度性能是至关重要的。在图4所示结果中，调制光学系统200的对比度通过以前使用的器件“A”VA-LCD来测量，但是采用含有具有仅～220nm的Z旋转的C-片的偏振补偿器260。在这种情况下，由于未提供该特定VA-LCD需要的～11-12nm的XY延迟，所得的对比度、即仅Z补偿的对比度455在F/2到F/10的F#范围上，在～650∶1或多或少要比未补偿的系统对比度300要好。但是，这个结果不如XYZ补偿后的系统对比度450那样好，系统对比度450是在使用具有180nm C-片(Z)和12nm A-片(XY)的典型补偿器的同时，通过器件“A”获得的。通过比较，当前述仅Z补偿器与本身具有铁十字特性(也就是说，只需要一点或者不需要XY延迟补偿)的VA-LCD器件“B”配对时，在F/2.3的对比度超过2200∶1。
可以看出，偏振补偿器的设计和构造本身是复杂的，而LCD本身中残留延迟的大的变化使寻求最大化对比度更加复杂。但是，已经证明，线栅偏振器可以在平面中旋转几度，可能会提供系统对比度的明显改善，同时还可能简化调制光学系统200和补偿器260的设计。实际上，这些在先前引用的申请中未详细说明的旋转调整提供了随给定LCD的性能、附带的补偿器260的特定设计、经过调制光学系统200的光的F#以及LCD的工作温度而变化的对比度提高。参考图5a，线栅偏振分束器240、线栅检偏器270以及线栅预偏振器230都可以旋转几度，主要目标是提高对比度，同时还使光效率最大。具体来说，线栅偏振分束器的少量角度旋转(角度(β))引入一些XY延迟，有效地实现通过添加A-片得到的偏振补偿的调整。所用实际旋转通常为～3°到5°，也可以是15°或更多，或者少到1°到2°，随测试条件而定。用来增大对比度的线栅偏振分束器240的最佳旋转量(β)可取决于LCD的温度，当LC器件在较高温度下工作时，所需旋转量通常会减小。因此，确定在预期工作温度下对于给定LCD所需的最佳补偿是重要的。在许多系统中，通过或者加热或者冷却可以控制LCD的工作温度，确保在使电光响应最佳的温度范围中工作。一般，当采用线栅偏振分束器240的(β)旋转时，调制光学系统200的帧顺序调制对比度与未补偿的情况相比，可以提高2倍或更多。
虽然线栅偏振分束器240的子波长导线250主要使此器件用作偏振器，但是这种结构还引入少量XY延迟。这可以通过考虑相关光学结构、形式双折射或“蛾眼”光学器件的属性来定性理解。首先，形式双折射的光学结构类似于图3的线栅偏振器100，但是线110不是金属的，而是介质。而且，典型的可见波长形式双折射光学结构具有高的介质线(台面)，沟槽115的深度大于台面宽度(例如大于20∶1的纵横比)。通过比较，典型线栅偏振器具有浅线，线厚度与线宽度之比为适当的～2∶1。
如同线栅器件一样，介质的形式双折射结构可以具有类似于图3的沟槽和线(台面)的一维图案。或者，具有对称的介质子波长沟槽和台面的图案或者不对称的介质子波长沟槽和台面的图案(X和Y方向上不同)的二维结构也是可行的。对称的二维结构可以起到类似于具有宽波长、对偏振不敏感和对角度不敏感的响应的增透(AR)涂层的作用。具有不对称二维图案的结构提供偏振敏感的增透特性。类似于图3的介质子波长光学微结构的一维图案是各向异性的，并且提供形式双折射(在X和Y方向上具有不同的光延迟值)，以及增透属性。I.Richter等人的论文“形式双折射微结构的设计考虑”(AppliedOptics，第34卷第14期第2421-2429页，1995年5月)讨论了光学器件的具体设计。该论文说明了可以如何调整诸如台面/沟槽结构的节距(p)、宽度(w)以及高度或厚度(t)的各种参数以使设计最优化。作为形式双折射的具有介质微结构的光学器件可用作可见光谱波片和延迟器，提供100-400nm的延迟(直到几乎为一个波长的延迟)，随设计而定。形式双折射与在晶体中观察的更为常见的体积双折射明显不同，后者是由材料内的电特性的各向异性变化引起的。
由于线栅偏振器和偏振分束器包含具有XY各向异性的子波长结构，这些结构可引入少量形式双折射作为器件的设计和制造的副产物。此外，在美国专利6122103中描述了另一种改进的线栅偏振器，它具有子波长结构，其中金属线制造在厚度为tR的介质肋条之上。在该情况下，介质肋条结构上的金属线用来将传输谐振移动到较低波长，从而在可见光谱上更全面地扩展线栅性能。所述线栅偏振器包括XY各向异性有效媒体结构，该结构可能呈现出XY形式双折射，从而呈现延迟。延迟引入一个偏振相对于正交偏振的延迟，这转换成入射光的偏振的相位变化Δφ。相位变化Δφ可以这样计算：Δφ＝2π*t*Δn/λ，其中(Δn)是结构所提供的折射率变化(Δn＝n7-n⊥)(双折射)，(t)是结构的厚度。延迟是以距离来表示的相位变化Δφ；例如π/2相位变化Δφ提供四分之一波长λ/4延迟，它在550nm等于～138nm延迟。但是，虽然可以预期各向异性形式双折射存在于线栅偏振器和偏振分束器中，但是应用对线栅偏振器的控制旋转，正如为了引入少量XY延迟从而调整对比度而在调制光学系统200中使用的一样，是先有技术中未明示或未预期的。此外，线栅偏振器旋转的交互作用，作为简化调制光学系统200和补偿器260的构造的机制，也是先有技术未预期的。
虽然线栅预偏振器230、线栅偏振分束器240以及线栅检偏器270都可以旋转以达到提高对比度或光效率的效果，线栅偏振分束器240的旋转是最有利的。对于沿着系统光轴275的光，线栅结构的少量XY延迟或多或少平行于或垂直于其线。当按照一定控制的角度大小(β)从其标称位置(β＝0°)旋转线栅偏振分束器时，其XY延迟可被定向得更加垂直于LCD的XY延迟，从而更好地补偿LCD。单独的线栅检偏器270的旋转(线栅预偏振器230和线栅偏振分束器240都是固定的(未旋转))提供下面讨论的观察到的对比度提高的最大部分(在某些情况下大于95％)。
再参照图4，关于调制光学系统200给出所测量的对比度的三个其它实例，其中空间光调制器210是VA-LCD(具体来讲是器件“A”)，并且采用了线栅偏振器的旋转来调整对比度。在第一实例中，在补偿器260是具有180nm延迟(Z)的C-片和具有12nm延迟(XY)的A-片的典型组件，并且线栅偏振分束器240和线栅检偏器270都被拧过一定角度的情况下，测量对比度。结果，组合XYZ补偿器和线旋转对比度460表明在F/2.3测量的～1600∶1的对比度基本上等于由此补偿器单独提供的XYZ补偿后的系统对比度450。但是，线旋转确实给出了在较高F数下的少量对比度提高。这种测量的组合XYZ补偿器和线旋转对比度460当然比未补偿的系统对比度300高得多。为了获得这种结果，线栅偏振分束器240旋转了β～0.5-2°，而线栅检偏器270在同样方向上旋转了α～1-3°。虽然线栅偏振分束器240和线栅检偏器270都旋转了所述角度(分别旋转了β和α)，但是这些器件的定向仍然是它们的子波长线基本上定向相对于图3是“垂直的”(“进入页面”)。这个数据基本上表明调制光学系统200可以由LCD 210和补偿器260来构造，而线栅偏振器被拧动一定角度以进一步提高系统对比度。
作为图4中所示的第二个其它实例，在补偿器260仅包括具有220nm延迟(Z)的C-片，并且线栅偏振分束器240和线栅检偏器270都被拧过一定角度的情况下，测量对比度。结果由组合Z补偿器和线旋转对比度465来表示，表明对于这种组合在F/2.3测量的～1100∶1的对比度比所测量的未经补偿的系统对比度300和仅Z补偿的对比度455都要好，但是低于XYZ补偿的系统对比度450或组合XYZ补偿器和线旋转对比度460。为了获得这种结果，线栅偏振分束器240旋转了β～3-5°，而线栅检偏器270在同样方向上旋转了α～6-7°。线栅偏振分束器240的旋转引入估计～6-8nm的XY延迟，这小于LCD使对比度最大所需的～12nm的XY延迟。在这种情况下，采用具有可选旋转的线栅偏振器、LCD 210以及补偿器260的调制光学系统200提供了在F/2.3的增强对比度，这比未补偿对比度高，但是比最佳补偿器得到的对比度低。这意味着，线栅偏振器的平面中旋转有可能用来提高对比度，同时简化相关偏振补偿器(典型补偿器是仅有Z补偿的)的设计和结构。
作为图4所示的第三个其它实例，对调制光学系统200测量对比度，该系统包括线栅偏振分束器240、线栅检偏器270、线栅预偏振器230以及LCD 210(器件“A”)，但是在没有补偿器260的情况下测试，同时线栅偏振分束器和检偏器都经过角度旋转。结果由仅旋转对比度470来标识，表明在F/2.3下有～700∶1的对比度，这比所测量的未经补偿的系统300要好，与仅Z补偿的对比度455相当。更重要的是，在F/2.3，对于此实例(LDC 210为器件“A”)的旋转对比度低于系统对比度的～1000∶1的目标规定，并且低于所测量的XYZ补偿的系统对比度450以及组合XYZ补偿器和线旋转对比度460。因此，对于类似于呈现器件“A”的LCD 210，线栅器件的平面中旋转未提供足够的延迟来补偿器件中的残留延迟，还需要其它偏振补偿器。
更概括地说，图4表明，在～F/4或低于F/4下工作，并且采用LCD210和XY和Z延迟良好匹配的补偿器260的组合的调制光学系统200的对比度高于其它途径提供的对比度。具体来讲，对于此实例(VA-LCD器件“A”)，在F数为～4.0或更低时，XYZ补偿的系统对比度450和组合XYZ补偿器和线旋转对比度460都明显高于仅线旋转对比度470。实验还证明，～F/4到～F/6区域是交叉区，这取决于所用的特定LCD和特定的补偿器，可以通过偏振补偿器、或者通过线栅偏振器的平面中旋转、或者通过这两者的组合获得最高对比度。甚至在F/4到F/6的交叉区中，与给定LCD良好匹配的偏振补偿器的使用一般会提供最高对比度。但是，在这种F/4到F/6的交叉区中，对于从生产线上可用LCD的有效选择，通过线栅偏振器的旋转提供的对比度可能会高得足以满足要求苛刻的应用、如数字影院投影的对比度要求，而不用使用偏振补偿器。在F/6以上，通过线栅偏振器(470)的旋转提供的对比度一般会达到或超过当使用偏振补偿器时获得的对比度。在该情况下，可以简化调制光学系统200，因为可以省略补偿器260而仍然获得较高的对比度。
图4中提供的对比度-F数的曲线都是专门从采用标识为器件“A”的VA-LCD进行的测试中获得的。采用前面所述的标识为器件“B”和器件“C”的VA-LCD，在调制光学系统200内测试，完成测量的等效范围。虽然这些器件呈现出与“A”相当不同的特性，包括明显不同的固有内部残留XY和Z延迟，通过器件“A”获得的表示在图4中的结论同样应用于这些器件。具体来讲，VA-LCD器件“A”和“C”具有残留XYZ延迟，使得两种器件在未经过偏振补偿的条件下测试时提供棒球图案类型的ISO对比度，虽然在各种测试条件下，器件“C”的性能不如器件“A”(对比度较小)。但是，器件“C”，如图4中所示的器件“A”数据一样，对于XYZ补偿的系统对比度450和组合XYZ补偿器和线旋转对比度460的测试条件在F/4以下提供最高对比度(～1100∶1或更高)，而组合Z补偿器和线旋转对比度465和仅线旋转对比度470在中间值(分别是800∶1+和600∶1+)，并且仅Z补偿的对比度455和未补偿的系统对比度300提供最低对比度(～500∶1)。类似地，F/4到F/6区域也是器件“C”的交叉区，其中利用偏振补偿器获得最高对比度，但是仅借助于线栅旋转进行的补偿也提供高对比度，这超过采用实际偏振补偿器的情况下的一些补偿器组合。最终，在F/6以上，采用器件“C”的测试结果类似于器件“A”的测试结果，所以通过线栅偏振器(470)的旋转提供的对比度一般达到或超过当使用偏振补偿器时获得的对比度。
关于VA-LCD器件“B”的结果表现出与器件“A”和“C”明显不同的特性，但是总的结论仍是类似的，若看ISO对比度来观察，器件“B”具有固有的铁十字特性。具体来讲，采用这种器件，利用仅Z补偿器(220nm Z补偿器)而不是XYZ补偿器(180nm Z和12nm XY补偿器)时，获得最高对比度，尽管两种情况下的对比度都相当高(在F/2.3在1500∶1以上，在其余F/3到F/10范围上超过2000∶1)。当在“天然”状态下使用器件“B”而不借助于偏振补偿器或线栅偏振器旋转时提供的对比度低于前面采用仅Z补偿器或XYZ补偿器的情况。具体来讲，在F/2.3，天然状态对比度无法达到数字影院的大于1000∶1的目标。但是，对于相同器件“B”的天然对比度在F/4到F/10范围上超过1500∶1。当然，与使用简单的仅Z补偿器或者操作“天然”器件(超过～F/4)时相比，借助于线栅偏振器的旋转进行的偏振补偿可以提供给铁十字ISO对比度器件的优点比提供给棒球图案ISO对比度器件的小。但是，在VA-LCD器件“B”的特定情况下，仅当此器件在其OFF状态下且在甚至偏置电压也没有的条件下测试时可以得到纯铁十字特性。一旦施加偏置电压，铁十字图案转换成棒球图案，虽然对比度是比采用器件“A”或“C”时观察的对比度更黑更高。在操作中，器件“B”具有少量残留XY延迟(～2～3nm)，这可以通过线栅偏振器的旋转来补偿。
一般，采用各种VA-LCD的实验表明，调制光学系统200内的线栅偏振器的平面中旋转产生可调整大小的XY延迟，这可用于偏振补偿，从而提供对比度。线栅偏振器的受控旋转一般在整个测试的F/2.3到F/10的范围上提高所测量的对比度，还可能消除使用偏振补偿器的必要。这对于在F/6或更高速度下工作的光学系统来说，更是如此。对于需要1000∶1以上的调制对比度并且在低于F/4速度下工作的要求苛刻的应用，利用提供与伴随使用的LCD良好匹配的XY和Z延迟的偏振补偿器来得到最佳结果。但是，在这种情况下甚至在这个范围中，可以使用线栅偏振器的受控旋转来进一步调节对比度或使对比度最大。F/4到F/6范围提供混合结果，其中线栅偏振器的旋转提供明显的对比度提高，并且通过其自身就可能足够了，但是在这个范围中，使用偏振补偿器，通过其自身或者与线栅旋转组合，一般也提供明显的进一步对比度提高。
如上所述，线栅偏振器的旋转所提供的对比度提高主要是通过线栅偏振分束器240在调制光学系统200内少量(β)的平面中旋转获得的(参见图5a)。线栅分束器的旋转提供最大的好处，因为就是借助于这种方式实际利用了各向异性结构的XY延迟。由于旋转量一般较小(β～3-5°)，通过检偏器的效率损失一般也较小。名义上也为线栅偏振器的检偏器可以在平面中旋转角度(α)，如图5a所示，从而进一步提高对比度和系统效率。在大多数实验中，线栅检偏器270在调节对比度和效率的过程中旋转较小的角度(α～6-7°)。线栅检偏器270与线栅偏振分束器240的旋转方向相同。虽然这两者可以旋转相同的角度(α＝β)，一般最佳结果是在检偏器旋转得较多(α＞β)的情况下得到的。但是，通过线栅检偏器270的旋转提供的增益非常小，使得在一些情况下让检偏器固定(不旋转)是切合实际的。在上述实验中，当线栅检偏器旋转较大角度(α＞8°)时，所测量的对比度和光效率一般都开始下降。在一些测试情况中，在使对比度最佳的同时，线栅偏振分束器240旋转了大得多的角度(β～15°或更大)。在这种情况下，把(线栅)检偏器旋转角度(α)可以提供更大的好处。
类似地，还可以旋转预偏振器以提高对比度。图5a说明可以如何在平面中把线栅预偏振器230旋转角度(δ)。例如，旋转线栅预偏振器230，同时线栅偏振分束器240和线栅检偏器270维持在上述标称最佳角度，分别是β～4°和α～6°。当线栅预偏振器旋转δ～4-8°时，对比度增大了一个小但有效的量(从～1100到～1140)，并且当在F/2.3采用器件“A”测量时，同时采用仅Z补偿器(图4的仅Z补偿的对比度455)，效率增大可忽略(＜1％)。但是，当线栅预偏振器230旋转了较大的量(δ＞8°)时，对比度继续缓慢增大，但是通过调制光学系统200的光效率显著降低。应当指出，这些偏振器的旋转名义上描述为在各个相应偏振器的平面中(参见图5a)，但是这些偏振器中任一个可能具有相对于光束的倾斜角(例如对于预偏振器和检偏器不是垂直入射)，这些器件仍会在平面中旋转。例如，可能引入检偏器的小倾斜以控制背反射和幻像。
当然，在光学领域中众所周知，在采用正交偏振器和光学光调制器的偏振光学系统中，一个偏振器可相对于另一个器件旋转，从而使对比度或光通过率最佳。但是，在本发明中，相对于空间光调制器(LCD)或者偏振器本身，作为偏振补偿的方式，旋转偏振器以利用由各向异性子波长形式双折射结构提供的固有XY延迟。通过以这种方式引入偏振补偿，可以简化实际偏振补偿器260的设计和制造，或者在一些情况下，代替这些设计和制造，从而在提高调制对比度的同时又简化了整个调制光学系统。
显然，对于要通过偏振分束器的旋转引入的有益XY延迟，分束器必须在其结构中具有这种延迟。具有其各向异性子波长线栅结构的线栅偏振分束器可以提供少量XY延迟。开发或制造这样一种线栅偏振器或偏振分束器是可能的，其中，XY延迟或者各向异性形式双折射被作为设计参数来控制和优化。在该情况下，可以预期，利用这种线栅器件的调制光学系统200的设计和性能可以得到进一步提高或简化，而LCD、偏振补偿器260以及旋转线栅偏振器的匹配可以进一步优化。还可以设想，依赖于空间各向异性形式二向色、形式双折射或子波长结构的其它偏振器可以呈现出具有旋转的有用XY延迟。例如，采用拉伸的染料/聚合物的如Polaroid和Optiva开发的染料偏光片(参见美国专利2237567和6049428)和采用图案对准的银纹理的来自Corning Inc.的“Polarcor”偏振器(美国专利5430573)，都可呈现一些XY延迟。但是，在两种情况下，任何XY延迟有可能甚至小于线栅偏振器的XY延迟。此外，这些其它偏振器一般在可见光谱范围中比线栅偏振器的性能差，特别是有关光效率。或者，可以构造具有各向异性形式双折射子波长结构的偏振器而不采用金属结构，如线栅偏振器中那样。例如，R.Tyan等人的文章“形式双折射多层偏振分束器的设计、制造以及表征”(JOSA A第14卷第7期第1627-1636页，1997年7月)描述了一种通过各向异性多层介质子波长结构来构造的偏振分束器。虽然Tyan等人的偏振分束器一般与可比的线栅偏振器性能差，因为其设计利用各向异性形式双折射，所以也可预期它通过旋转引入一些XY延迟，这可用于相邻空间光调制器(LCD)的偏振补偿。
不要求调制光学系统200中使用的或者预偏振器或者检偏器是线栅偏振器件。当然最好是，这些偏振器具有高的可见光效率，在可见光谱上提供相对较高的对比度(～100∶1+)以及制造成薄片。例如，旋转MacNeille型偏振分束器可能关于结构和舍弃光的处置是困难的。当然，线栅偏振器是主要候选者，因为它对于透射偏振具有高的效率、高对比度、大接受角，并且在高温负荷下是健壮的。尽管如此，也可以采用其它光学偏振器。
同样，还可以构造一种简化形式的调制光学系统200，其中，利用线栅偏振分束器240的旋转来引入XY延迟，作为对LCD空间光调制器210的固有XY延迟的补偿，而去除其它偏振部分，但是仍然得到目标对比度。具体来讲，如果可以删除预偏振器、检偏器或者两者，则会提高调制光学系统200的光处理效率。如上面讨论的，线栅偏振分束器240在透射中提供相当高的对比度，但是在反射中仅提供适量的对比度。除非反射对比度显著提高(从＜50∶1到＞1500∶1)，否则设计成将调制图像承载光290反射到投影透镜285中的图3的调制光学系统仍需要检偏器来为数字影院应用提供目标对比度。但是，由于现有的可买到的线栅偏振分束器提供～1000-1200∶1的红和绿光中的透射对比度，考虑不用预偏振器来构造的调制光学系统200是可行的。例如，若可见波长线栅偏振分束器在减小线节距的条件下(p～100-120nm)变得可用，则整个可见光谱上的对比度可以超过2000∶1，使得预偏振器无关紧要。
已经结合图1和3中的系统具体描述了本发明的内容，它涉及到调制光学系统200，其中线栅偏振器的旋转、特别是线栅偏振分束器240的旋转用来引入XY延迟，从而部分地补偿相邻LCD 210的固有XY延迟。在该系统中，设置线栅偏振分束器240以接收来自LCD210和补偿器260的光，然后把调制图像承载光290反射到投影透镜285中。应当理解，利用线栅偏振器的旋转来提供对LCD 210的偏振补偿的同样原理还可用于如下调制光学系统200，其中设置线栅偏振分束器240以把调制图像承载光束290透射到投影透镜285中。虽然图8所示的这种系统受到由通过倾斜片透射的成像光所引入的失常(彗差和像散)，但是这种结构另一方面提供了简化的结构和对准。在图8的调制光学系统200的情况中，可以不用检偏器270来构造此系统，因为线栅偏振分束器240提供透射中的高对比度。显然去除此部件可以简化系统并且提高光效率。
应当理解，本申请中发展的用于通过线栅偏振分束器240或者其它线栅偏振器、或者单独地或者与偏振补偿器组合地旋转来优化调制光学系统200的偏振性能的偏振补偿概念可用于具有除垂直取向LCD之外的其它空间光调制器的调制光学系统。例如，空间光调制器210还可以是60度扭转向列LCD、多域垂直取向(MVA)LCD、PLZT调制器或者一些其它偏振旋转调制器。
此外，应当指出，用于LCD的最佳补偿延迟可能不仅随不同器件而改变，而且随工作参数而改变。例如，前面提到，器件“C”在未加电压时呈现出铁十字图案ISO-对比度，但是在施加OFF状态偏置电压时是略微的棒球图案ISO-对比度。还应当看出，标称补偿延迟随LCD的工作温度而改变。这可能意味着，重要的不仅是控制LCD的温度，还要在目标LCD工作温度下使无论是出自补偿器、线栅偏振器旋转还是出自其组合的补偿最优化。
还应当理解，作为本发明的一部分描述的调制光学系统200名义上包括预偏振器、线栅偏振分束器、用作检偏器的线栅偏振器、LCD以及可能的偏振补偿器，并且其中名义上线栅偏振分束器和检偏器都可以旋转，以便提高对比度和有可能简化偏振补偿器的设计，它可用于除数字影院的电子投影之外的其它应用。具体来讲，前述调制光学系统还可用于打印系统，如用于在纸上或胶片上印制摄影图象。在该情况下，投影光学器件70可以用一般工作在小的放大倍数下(1∶1到10∶1)的打印光学器件来代替。同样，这种概念可用于前面所述的单信道彩色顺序制(例如投影或打印)。

Claims (10)

1.一种显示装置，包括：
(a)用于形成光束的光源；
(b)用于使所述光束偏振以提供偏振光束的预偏振器；
(c)线栅偏振分束器，用于接收所述偏振光束、透射具有第一偏振的所述偏振光束以及反射具有第二偏振的所述偏振光束；
(d)反射空间光调制器，用于选择性地调制具有所述第一偏振的所述偏振光束以在其上进行图像数据编码，以便形成调制光束，并且使所述调制光束反射回到所述线栅偏振分束器；
(e)补偿器，位于所述线栅偏振分束器与所述反射空间光调制器之间，用于调整所述调制光束的斜射光和不交轴光；
(f)其中所述线栅偏振分束器反射所述补偿后的调制光束，并且在平面内旋转所述线栅偏振分束器以引入延迟作为补偿所述补偿后的调制光束以及增强对比度或光效率或同时增强这两者的又一种方式，所述调制光束由所述补偿器进行补偿，并通过旋转所述线栅偏振分束器得到进一步补偿；
(g)检偏器，它从所述补偿后的调制光束中去除相反偏振态的残留光；以及
(h)图像形成光学器件，用于由所述补偿后的调制光束形成图像。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述补偿器包括一个或多个双折射层，这些层包括C片薄膜、或者A片薄膜、或者双轴薄膜或者其组合。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，旋转所述检偏器以使所述对比度或光效率或者这两者优化。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，旋转所述预偏振器以使所述对比度或光效率或者这两者优化。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，旋转所述补偿器以使所述对比度或光效率或者这两者优化。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，旋转所述补偿器以使所述对比度或光效率或者这两者优化。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检偏器是线栅偏振器，其中包括平行子波长线的子结构。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，在平面内旋转所述检偏器以使所述对比度或光效率或者这两者优化。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射空间光调制器是反射液晶器件。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述反射液晶器件具有垂直取向的结构。
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