CN102725682A - 高速液晶偏极化调变器 - Google Patents

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Abstract

一种偏极化调变器(20)，用于分时多任务立体3D应用，在交替子图框之二偏极化状态之间迅速切换。该偏极化调变器使用排列成光学序列之二液晶装置(26、28)并接受驱动(52)而使得第二装置补偿第一装置在交替子图框期间对于入射光之一输入偏极化状态造成之改变。这些补偿液晶装置之特征在于，若相同之电压施加至二者，则第二装置补偿第一装置对该输入偏极化状态造成之改变，无论所施加之电压位准若干。若施加的电压被从一位准改变成另一位准，且液晶装置中的液晶材料(34c、34n)松释至该新的电压位准，则偏极化状态之补偿将在整个松释期间持续进行，使得缓慢的非供电式转变本身并未造成偏极化状态之改变。

Description

高速液晶偏极化调变器
著作通知
Figure BDA00001761470800011
2011 LC-TEC Displays AB。这专利文献的部份揭露内容包含受著作保护的材料。如显示在智能产权局专利案件或纪录中，该著作所有人不具有藉由任一专利文献或专利揭露内容的摹写复制品的缺点，不然无论如何保留所有的著作权。37 CFR§1.71(d)。
技术领域
本揭示是有关于一种用于分时多任务立体三维(3D)应用之高速、液晶偏极化调变器(polarization modulator)。特别是关于一种以第一及第二液晶装置实施而成之偏极化状态调变器，其中处于一输入偏极化状态之入射光透过这些液晶装置传播，且其中该第二液晶装置补偿该第一液晶装置对该输入偏极化状态造成之变化，以及关于一种驱动液晶盒(liquid crystal cell)以达成偏极化状态间之高速切换的方法。
背景技术
偏极化调变器可以应用于诸如光纤通信、电焊护目镜(welding goggle)、以及分时多任务立体3D显示器等许多不同领域之中。液晶盒特别适合用于调变通过其中的光线之偏极化状态，因为液晶材料本身具双折射性(birefringent)，且此双折射材料之光轴方向可以利用一施加之电压加以控制。对于一些应用而言，其采用偏极化调变器做为一偏极化开关，以将光自某一个偏极化状态切换至另一个偏极化状态。为了在分时多任务立体3D应用上达到最高的效能，其有必要在二个正交相关(orthogonally related)的偏极化状态之间切换，诸如在右旋圆形偏极化光(right-handed circularly polarized light)与左旋圆形偏极化光(left-handed circularly polarized light)之间切换，或者在垂直偏极化光与水平偏极化光之间切换。
其有二种基本技术使用于分时多任务立体3D系统，其中左眼和右眼影像被一成像装置依序显现成图框(frame)。其中一种基本技术需要使用由观赏者配戴之主动式观看眼镜。该主动式眼镜的每一片目镜均配备一透镜组合件，该透镜组合件包含一位于二偏极化薄膜之间的偏极化开关。该主动式眼镜与成像装置同步运作，且每一透镜组合件在持续时间大致相等的轮替子图框(subframe)期间交替地通过及阻隔依序呈现的相关观赏者眼睛的影像，致使右眼影像与左眼影像分别抵达观赏者的右眼与观赏者的左眼。另一种基本技术需要使用由观赏者配戴之被动式观看眼镜，并在成像装置前方置放一偏光板(polarizer)及一偏极化开关。该偏极化开关与成像装置同步运作，使得左眼影像与右眼影像透过一传输媒介传播同时被该偏极化开关赋予不同的偏极化状态。该被动式眼镜的每一片目镜均配备一透镜，该透镜包含一偏极化薄膜，其方位被配置以分析携载左眼及右眼影像之入射光之偏极化状态以交替地对其进行阻隔及使其通过，使得右眼影像与左眼影像分别抵达观看者的右眼与观看者的左眼。本揭示系有关于使用主动式或被动式观看眼镜之立体3D技术。
使用液晶的第一偏极化调变器之一是扭转向列型(twisted nematic；TN)晶盒。由Helfrich及Schadt的编号CH532261之瑞士专利所教示的TN晶盒是由夹置于二基板之间的正介电质异相性(positive dielectric anisotropy)液晶材料所构成，该二基板具有其表面被处理成接触一表面之液晶材料分子轴向(director)相对于接触另一表面之液晶材料分子轴向之方位呈直角之透光电极。在未施加电压之时，液晶装置内的液晶分子轴向由底部基板的内侧表面向顶部基板的内侧表面均匀扭转90°。透过一"波导"原理，此具有将线性偏极化之入射光线旋转90°之效果。施加一电压至液晶装置之后，液晶分子轴向与基板垂直，其结果使得扭曲之液晶分子轴向结构消失，以及其旋转线性偏极化入射光线之能力。因此，此TN晶盒可以被视为一偏极化开关，其在未施加电压时，将线性偏极化光之方向旋转90°，而在施加一够强的电压时，不旋转线性偏极化光。使用一TN装置做为偏极化开关的问题之一是从一高电压光学状态到一低电压光学状态之转变对于许多应用而言均过于缓慢，因为对于液晶分子轴向的回复扭矩(restoring torque)仅来自于由分子轴向接触经过处理之电极内侧表面所构成之固定边界线所传出之弹力。此被称为一非供电式转变(unpowered transition)。另一方面，从一低电压光学状态到一高电压光学状态之转变则可以极为快速，因为此时对于分子之扭矩是来自于施加之电场与液晶材料的感应偶极矩(dipole moment)之耦合。此是一供电式转变(powered transition)。即使现时已具有低黏性、高双折射性液晶材料以及液晶显示设备技术，但从高电压光学状态到低电压光学状态之转变仍旧位于2毫秒至3毫秒之等级，此对于最新的分时多任务立体3D应用而言过于缓慢，其中完整的左眼或右眼影像可能仅在4毫秒或更短的时间之内即应就绪。
Freiser在编号3,857,629的美国专利案之中描述一种TN偏极化开关，其中从低电压到高电压光学状态以及从高电压至低电压光学状态二者之切换均是供电式转变，因此均可以非常快速。此切换机制使用一特殊之"双频率"液晶混合物，其介电质异相性之符号从正变成负以增加驱动频率。施加一DC或低频率AC电压启动该TN装置，而施加一高频率AC电压则关闭该TN装置。然而，此种双频率技术存在一些问题。首先，由于液晶装置中形成多个区域或补片，故此机制无法在一大范围中均匀地切换。其次，交越频率(crossoverfrequency)，意即液晶之介电质异相性改变符号之频率，与温度之相关性极高，因此限制了该装置能够成功运作的温度范围。第三，馈入液晶装置之电容性负载的高频驱动信号需要相当大的电力，使得此系统无法使用于诸如主动式立体3D眼镜的电池式、可携装置之上。
Bos在编号4,566,758的美国专利之中描述一种运作于光电模式的液晶式偏极化开关。Bos所描述的液晶装置现已被称为π液晶盒(pi-cell)。此种π液晶盒偏极化开关能够将线性偏极化光之偏极化方向旋转90°，但其运作是基于一可切换半波延迟器(retarder)，而非TN显示器之90°″波导"原理。此π液晶盒模式之切换较TN模式快速，因为与π液晶盒之切换相关的内部液晶材料流并未导致一缓慢的"光学回弹"。不过，高电压光学状态至低电压光学状态之转变仍然是一非供电式转变，利用现有的材料及装置技术，其反应时间大约是1毫秒。即便是1毫秒的反应仍会在最新的分时多任务立体3D应用之中造成影像干扰、亮度减损、以及其他人工瑕疵。
Clark以及Lagerwall在编号4,563,059的美国专利案之中描述一种基于铁电式(ferroelectric)液晶材料的液晶偏极化开关，其隶属于与前述向列型液晶材料不同的液晶种类。此类铁电式液晶与向列型液晶类之差异在于类铁电式液晶分子本身排列成迭层之形式。铁电式偏极化开关能够在二个偏极化状态之间非常迅速地来回切换，因为二个光学状态转变均是供电式转变。然而，铁电式偏极化调变器具有许多缺点。首先，液晶装置需要具有非常薄的晶盒间隙(cellgap)，在一微米之等级，此使得铁电式液晶装置之生产良率难以提高。其次，铁电式迭层之排列对于震动及压力变异极为敏感，此种敏感性排除了许多需要操控之应用，诸如使用于观赏者所配戴的主动式立体3D眼镜之中。第三，温度上的变异亦可能造成排列错乱，特别是若温度暂时升高至晶列转变温度以上之时。
其他偏极化开关使用二个排列成光学序列之液晶组件。Bos在编号4,635,051的美国专利案之中描述一种光闸系统，包含第一及第二可变光学延迟器，其中其光轴在该可变延迟器的光传播表面上的投影彼此正交且置于相交的偏光板之间。其驱动可变延迟器，使得在一第一ON或导通时间区间之中，第一可变延迟器接收一高电压而第二可变延迟器接收零伏特，且在一第二OFF或关闭时间区间之中，第一及第二可变延迟器二者均接收高电压。结果是该光闸在第一时间区间的起始处迅速地变成ON而进入一导通状态，而在第二时间区间的起始处迅速地变成OFF而进入一关闭状态。第二时间区间之后紧随一持续时间不定的第三时间区间，在此期间之内，二个可变延迟器均接收零伏特并松释成其未供电状态。该光闸在第三时间区间内是处于关闭状态。此松释动作在第三时间区间之中相当地缓慢，因为其未被供电，且必须在光闸可以再次启动之前完成。此机制不适用于分时多任务立体3D应用，其运作于持续时间大致相等的二个时间区间(左影像及右影像子图框)之中。
Bos在编号4,719,507的美国专利案之中描述一种分时多任务立体成像系统实施例，包含一线性偏光板以及光轴彼此垂直的第一与第二液晶可变光学延迟器。该可变延迟器分别切换，使得在一第一影像图框期间，该第一可变延迟器是处于一零延迟状态而该第二可变延迟器是处于一四分之一波(quarter-wave)延迟状态，造成右旋圆形偏极化光，而在一第二影像图框期间，该第一可变是处于一四分之一波延迟状态而该第二可变延迟器是处于一零延迟状态，造成左旋圆形偏极化光。该第二可变延迟器在任一时点均未对该第一可变延迟器对入射光之输入偏极化状态造成的变化加以补偿。切换期间，一可变延迟器被启动，而同时另一可变延迟器被关闭，反之亦然。此机制之一缺点在于二个转变均包含相当慢速之非供电式转变，此在最新的分时多任务立体3D应用之中造成影像干扰、亮度减损、以及其他人工瑕疵。
Cowan等人在编号7,477,206的美国专利案之中描述一种偏极化开关，其以类似上述编号4,719,507的美国专利案之方式，使用能够在零与四分之一波延迟之间切换的二个液晶可变光学延迟器，并以一推挽(push-pull)方式驱动之。在编号4,719,507的美国专利案之中描述的偏极化开关之同一缺点亦适用于此。
Robinson和Sharp在编号7,528,906的美国专利之中描述一些使用二个光学式地串联之半波π液晶盒的偏极化开关之实施例。一实施例使用二个π液晶盒藉由在一平行方向摩擦透光电极之表面构建出接触分子轴向排列之表面。其配置该二个π液晶盒之方位使得该二个π液晶盒之摩擦方向彼此大约成一43°之角度。其他实施例使用二个摩擦方向彼此平行之π液晶盒，而建立一或多个居间的被动式延迟薄膜。在所有的情况之中，当处于一输入偏极化状态的入射光透过第一及第二π液晶盒传播之时，第二π液晶盒并未补偿第一液晶延迟器对输入偏极化状态造成之改变。二个液晶装置同时被以同一波形驱动，在二个液晶装置自一低电压光学状态切换至一高电压光学状态之时造成一非常快速的光学反应，因为其均是供电式转变，但自高电压至低电压光学状态之同时转变是非供电式转变，因此极为缓慢，从而降低多时分工立体3D应用之切换效能。
Figure BDA00001761470800051
及Palmer在编号5,825,441的美国专利之中描述一种液晶电焊护目镜结构，包含二TN组件及一居间之偏极化薄膜。至少一TN组件具有一小于90°之扭转角度。由于该居间之偏光板，进入第二TN组件之光线的偏极化状态是固定的，与第一TN组件对入射光的输入偏极化状态造成的改变无关，故并未包含任何补偿。此种配置给予电焊应用较高之效能，其中在宽广的视角范围需要极高的光学密度，但由于非供电式转变之缓慢光学反应，故并不适合分时多任务立体3D应用。
发明内容
一种光学偏极化状态调变器，用于一观赏者之分时多任务立体三维影像观看，不具有前述缺点。此偏极化状态调变器以交替顺序接收处于一输入偏极化状态并在包含更新影像部分的不同的第一及第二子图框之中携载一景像之第一及第二透视图像之光。
此偏极化状态调变器之较佳实施例包含组合成光学序列之第一及第二液晶装置，使得透过其传播的偏极化光可以根据施加至该第一及第二液晶装置的电压接受一偏极化状态之改变。该第一及第二液晶装置分别具有第一及第二组分子轴向且其构建及方位之配置致使，由于所施加的相等电压之移除，位于第一及第二组中之分子轴向彼此相配合地松释并从而动态地偏移偏极化状态变化，使得通过并离开该第一及第二液晶装置之组合的入射光的多个波长处于该输入偏极化状态。
驱动电路将第一及第二驱动信号分别发送至第一及第二液晶装置。第一及第二驱动信号包含针对该第一及第二液晶装置建立较低强度分子轴向场域状态的较低强度位准。第一及第二驱动信号包含针对该第一及第二液晶装置建立较高强度分子轴向场域状态的具有较低-至-较高强度位准供电式转变的脉波。该第一及第二驱动信号在第一及第二子图框中的一子图框期间彼此配合以造成，在第一及第二液晶装置之中，在此一子图框的更新影像部分期间分子轴向自其松释的较高强度分子轴向场域状态之形成，使得位于第一及第二组中之分子轴向偏移偏极化状态之变化。偏移偏极化状态变化的分子轴向授予通过第一及第二液晶装置之组合的影像携载偏极化光一等于该输入偏极化状态之第一输出偏极化状态。该第一及第二驱动信号在第一及第二子图框中的另一子图框期间彼此配合以造成，在不同的第一及第二液晶装置之中，在该另一子图框的更新影像部分期间较低及较高强度分子轴向场域状态之形成，使得位于第一及第二组中之分子轴向未偏移偏极化状态之变化。未偏移偏极化状态变化的分子轴向授予通过第一及第二液晶装置之组合的影像携载偏极化光一异于该第一输出偏极化状态之第二输出偏极化状态。
二补偿液晶装置之一有用特性在于，若同样的电压被施加至二者，则无论所施加的电压位准为何，一液晶装置均补偿另一液晶装置对输入偏极化状态所造成的变化。此外，若施加的电压被从一位准改变成另一位准，且液晶装置中的液晶材料松释至该新的电压位准，则偏极化状态之补偿将在整个松释期间持续进行。此被称为动态补偿。因此，若施加一电压至二液晶装置而后移除，则其将在整个松释程序中持续进行补偿，而通过该组合的光线的偏极化状态并无改变。因此，液晶装置之缓慢、非供电式转变本身并未造成偏极化状态之改变。所揭示的驱动机制利用上述后者之特性，致能快速切换偏极化调变器动作，因为该二液晶装置被容许藉由该较为缓慢的非供电式转变重置至较低之电压偏极化状态而无任何光学改变。
该光学偏极化状态调变器可以被纳入使用被动式或主动式观看眼镜的立体3D系统之中。
关于一使用被动式观看眼镜之系统，一影像源和一输入偏光板彼此光学式地相连。该影像源以交替之顺序产生第一及第二透视图像，而处于一输入偏极化状态并携载该第一及第二透视图像的光离开该输入偏光板以投射于该光学偏极化状态调变器之一光线进入表面之上。一被动式译码器包含藉由一传输媒介与光学偏极化状态调变器之一光线离去表面分隔之第一及第二观看装置，且被组构成在不同的第一及第二子图框期间接收处于第一及第二输出偏极化状态的影像携载偏极化光。该第一观看装置包含一具有一第一传输偏极化轴之第一偏光板，其方位被配置成传送第一输出偏极化状态之光并阻隔第二输出偏极化状态之光。该第二观看装置包含一具有一第二传输偏极化轴之第二偏光板，其方位被配置成传送第二输出偏极化状态之光并阻隔第一输出偏极化状态之光。此被动式观看眼镜在不同的第一及第二子图框期间将第一及第二透视图像呈现给观赏者。
关于一使用主动式观看眼镜的系统，一影像源发出携载第一及第二透视图像之光，行进通过一传输媒介，并行进通过一输入偏光板而产生该处于一输入偏极化状态并携载第一及第二透视图像之光，以投射于二光学偏极化状态调变器各自之光线进入表面。每一光学偏极化状态调变器均具有一分析偏光板，光学式地通连光学偏极化状态调变器之光线离去表面，处于第一与第二输出偏极化状态其中一状态之影像携载偏极化光通过该分析偏光板而将第一及第二透视图像对应的其中之一呈现给观赏者。每一光学偏极化状态调变器之输入偏光板及分析偏光板分别具有彼此呈横切关系(transversely related)之一输入滤光镜传输偏极化轴以及一分析滤光镜传输偏极化轴。
由以下配合图式的较佳实施例之详细说明，其他特色及优点将趋于明显。
附图说明
图1定义一液晶材料层内部之一液晶分子轴向n之倾斜角θ和方位角
Figure BDA00001761470800081
图2显示第一及第二液晶装置之倾斜及方位角分布曲线，其中处于一输入偏极化状态之入射光透过这些液晶装置传播，且其中该第二液晶装置补偿该第一液晶装置对该输入偏极化状态造成之变化。
图3A、3B、3C、及3D显示施加至安装于一第一较佳实施例中之第一及第二90°TN液晶装置之各种不同驱动电压对输出偏极化造成之效应，此第一较佳实施例是一可以被纳入一使用被动式或主动式观看眼镜的立体3D系统之中的偏极化调变器。
图4针对图3A、3B、3C、及3D之第一较佳实施例例示一驱动方法，其使用DC平衡之图框倒置并在二偏极化状态之间达成快速切换。
图5针对图3A、3B、3C、及3D之第一较佳实施例例示一第一选替性驱动方法，其使用双极性脉波以在每一子图框之内达到DC平衡。
图6针对图3A、3B、3C、及3D之第一较佳实施例例示一第二选替性驱动方法，其使用过压驱动脉波以增加切换速度。
图7例示一依据一第二较佳实施例之用于主动式眼镜之驱动方法。
图8例示一依据一第三较佳实施例之用于主动式眼镜之驱动方法，其包含在影像正在更新的时段期间的空白。
图9A、9B、9C、及9D显示施加至一第四较佳实施例中之第一及第二正ECB液晶装置之各种不同驱动电压对输出偏极化造成之效应，此第四较佳实施例是一可以被纳入一使用被动式或主动式观看眼镜的立体3D系统之中的偏极化调变器。
图10A、10B、10C、及10D针对图9A、9B、9C、及9D之第四实施例显示使用二正ECB液晶装置之一光快门之量测驱动波形以及光学切换反应。
图11A、11B、11C、及11D显示施加至一第五较佳实施例中之第一及第二液晶π液晶盒之各种不同驱动电压对输出偏极化造成之效应，此第五较佳实施例是一可以被纳入一使用被动式或主动式观看眼镜的立体3D系统之中的偏极化调变器。
图12例示一使用过压驱动及欠压驱动之结合以增进切换速度的驱动方法。
图13A及13B显示以图9A、9B、9C、及9D之偏极化调变器构建而成之一被动式立体3D观赏系统。
图14显示图13A及13B之被动式立体3D观赏系统之第一及第二子图框期间所产生的清楚与光阻隔状态之仿真光学传输光谱。
图15A及15B显示实施成使得偏极化调变器在右旋及左旋圆形偏极化光之间切换的图13A及13B的被动式立体3D观赏系统。
图16显示图15A及15B之被动式立体3D观赏系统之左眼之光阻隔状态之仿真光学传输光谱，其是利用三个具有不同波长色散特性之四分之一波光学延迟器构建而成。
图17显示图15A及15B之被动式立体3D观赏系统之光学传输之仿真结果，其是利用由聚碳酸酯构成之四分之一波光学延迟器以及ECB组件构建而成。
图18显示图15A及15B之被动式立体3D观赏系统之光学传输之实际量测，其是如参照图17所述构建而成。
图19显示图15A及15B之被动式立体3D观赏系统，以一选择性C型补偿器实施而成以增进呈现给观赏者之右眼及左眼之透视图像之视角。
图20A、20B、20C、及20D显示图19之被动式立体3D观赏系统之仿真等对比图，其中图20A及20B分别显示未使用该选择性C型补偿器之左眼和右眼的低对比视角效能，而图20C及20D则分别显示使用该选择性C型补偿器之左眼和右眼的高对比度视角效能。
图21显示以一类似使用于图19之被动式系统中的偏极化调变器构建而成并在光学路径之中纳入一C型补偿器以在一宽广的极视角范围上增进对比度之一主动式立体3D观赏系统。
图22A及22B显示仿真之等对比图，藉由比较，显示可以藉由如图21所示将一C型补偿器纳入光学路径之中而加宽具有极小迭影效应的高对比度视角之范围。
图23A、23B、23C、及23D显示施加至一第六较佳实施例中之第一及第二液晶VAN晶盒之各种不同驱动电压对输出偏极化造成之效应，此第六较佳实施例是一可以被纳入一使用主动式或被动式观看眼镜的立体3D系统之中的偏极化调变器。
图24A及24B显示图23A、23B、23C、及23D之偏极化调变器分别在不使用及使用视角补偿下被纳入一主动式立体3D观赏系统之中。
图25A及25B显示仿真之等对比图，藉由比较，显示视野补偿对于扩大高对比度视角之范围的影响。
图26显示图23A、23B、23CD、及23D之偏极化调变器被纳入如图所示19的以四分之一波光学延迟器构建而成之一被动式立体3D观赏系统之中。
图27A及27B分别显示图26之被动式眼镜之左眼及右眼目镜之模拟等对比图。
图28显示一被动式立体观赏系统，利用图23A、23B、23C、及23D之偏极化调变器以及左右眼目镜使用不同光学补偿器的被动式眼镜构建而成。
图29A及29B分别显示图28之被动式眼镜之分别补偿之左眼及右眼目镜之模拟等对比图。
图30显示一被动式立体观赏系统，利用图9A、9B、9C、及9D之偏极化调变器以及左右眼目镜使用不同光学补偿器的被动式眼镜构建而成。
图31A及31B分别显示图30之被动式眼镜之分别补偿之左眼及右眼目镜之模拟等对比图。
图32显示一ECB液晶混合物之标准化双折射性与一VAN液晶混合物之标准化双折射性相对于温度之仿真关联性。
图33是一曲线图，显示在20°C下一填充以图32所示ECB液晶混合物之ECB装置造成的相位偏移相对于电压之仿真关联性。
图34显示图32中所示之ECB液晶混合物之各种运作温度之固定180°相位偏移之四条VH相对于VL之曲线。
图35是一电路之简化功能方块图，用以调整VH和VL之位准以在一宽广的温度范围之中维持偏极化状态调变器之液晶组件所达成的180°相位偏移。
图36是一曲线图，显示在20°C下一填充以图32所示VAN液晶混合物之VAN装置造成的相位偏移相对于电压之仿真关联性。
图37显示图32中所示之VAN液晶混合物之各种运作温度之固定180°相位偏移之四条VH相对于VL之曲线。
具体实施方式
较佳实施例是基于配置成光学序列且处于一输入偏极化状态之入射光透过其传播之第一及第二液晶装置。第二液晶装置补偿第一液晶装置对输入偏极化状态造成之改变，以具现一未改变通过第一及第二液晶装置之正常入射光中的所有波长之偏极化状态之特性。在本说明书之中，使用于配置成光学序列且偏极化之光透过其传播的第一及第二液晶装置中的补偿是表示，不论第一液晶装置以任何方式改变进入第一液晶装置之光的输入偏极化状态，第二液晶装置逆转或偏移此改变，使得离开第二液晶装置的输出偏极化状态与该输入偏极化状态相同。针对补偿之进行，该第一及第二液晶装置符合以下条件：(1)这些液晶装置具有相同的晶盒间隙；(2)这些液晶装置被填充以相同之液晶材料，除非有添加旋光掺杂物(chiral dopant)，在该情况下这些掺杂物具有相等但相反的旋旋光性；(3)其并无诸如一延迟板或偏光板之偏极化改变光学构件位于该二液晶装置之间；以及(4)该二液晶装置中一液晶装置之分子轴向场域是其中的另一液晶装置之分子轴向场域的90°旋转镜像。针对此最末条件之满足，该二液晶装置应有相同之电压施加其上，或者相同的施加电压接受改变成为另一相同的施加电压，而该二液晶装置中的液晶分子轴向场域动态地松释成一个新的对应均衡状态。若不同电压施加至其上，则该二液晶装置将不进行补偿。
液晶分子轴向场域表示液晶分子在整个液晶装置内变化时，其局部光轴之方位。一液晶显示器中的分子轴向场域之特点在于方位在整个装置中持续变化的一组分子轴向。图1显示表示成一单位向量n的分子轴向方位，或者说区域光轴，可以由一倾斜角(tilt angle)θ和一方位角(azimuthal angle)
Figure BDA00001761470800111
代表之，其中倾斜角θ是分子轴向与一平行于其间包含液晶材料的基板之一的平面10之间的角度，而方位角
Figure BDA00001761470800112
则是分子轴向n在平面10上的一投影12与X轴之间的角度。图2是表示一第一液晶装置(左侧曲线图)与一第二液晶装置(右侧曲线图)之倾斜角及方位角分布曲线之一实例之二曲线图，其显示倾斜角及方位角在液晶装置的整个厚度范围(Z轴)上各个位置处如何变化。这些分布曲线界定出每一装置的分子轴向场域。第一液晶装置中沿着Z轴上的任何位置z处的分子轴向之方位可以表示成倾斜角θ1(z)及方位角
Figure BDA00001761470800121
而第二液晶装置中任何位置处的分子轴向之方位可以表示成倾斜角θ2(z)及方位角
Figure BDA00001761470800122
一个对于偏极化状态补偿的条件(4)的数学描述，意即，第二液晶装置中的分子轴向场域是第一液晶装置中的分子轴向场域之一90°旋转镜像，可以被表示成二个方程式：
θ2(z)=-θ1(d-z)
其中的d是该二液晶装置的晶盒间隙，且在液晶装置进入表面处z=0，而在液晶装置离去表面处z=d。基于例示之目的，图2之实例满足以上之方程式，其显示第一及第二液晶装置之倾斜角及方位角分布曲线。
图3A、3B、3C、及3D显示一第一较佳实施例，其是一偏极化调变器20，用于配合被动式或主动式观看眼镜使用之立体3D观赏，以及一影像源22，在持续时间大致相等的子图框之中产生一景像的第一(左眼)透视图像以及第二(右眼)透视图像。图3A显示一位于左侧之输入偏光板24，其后跟随一第一TN装置26和一第二TN装置28，结合于光学序列之中且是传统的90°TN类型。第一TN装置26是以液晶材料包含于玻璃基板30之间构建而成，玻璃基板30具有透光电极层32形成于其上之内表面。该液晶材料包含电极表面接触分子轴向34c以及电极表面未接触分子轴向34n。第二TN装置28是以液晶材料包含于玻璃基板36之间构建而成，玻璃基板36具有透光电极层38形成于其上之内表面。该液晶材料包含电极表面接触分子轴向40c以及电极表面未接触分子轴向40n。输入偏光板24将一垂直输入偏极化状态或方向42授予传播自影像源22并携载左眼及右眼透视图像之光。
图3A显示相同的低电压强度驱动信号VL施加至TN装置26及28二者，分别如显示器驱动电路52中的开关501及502所示。驱动信号VL低于TN门坎电压或甚至等于零。在此电压处，分别位于TN装置26及28内从一进入表面54到一离去表面56的表面未接触分子轴向34n及40n在Z轴方向上一致地旋转90°，且在TN装置26之中，其旋转形式是左旋(left-handed)，而在TN装置28之中是右旋(right-handed)。TN装置26及28可以各自被视为在传播自影像源22之入射光之一"波导"程序垂直输入偏极化方向42(0°)上旋转90°，其中TN装置26以左旋形式将垂直输入偏极化方向42旋转+90°，而TN装置28藉由以相反的右旋形式将其旋转-90°而将之前的旋转逆转回原来的0°之垂直输入偏极化方向42之方向。该结合之TN装置26与28彼此补偿，使得在入射光通过之后，其偏极化状态维持不变，产生与输入偏极化方向42相同之一输出偏极化状态或方向44。
图3B显示同样的高电压强度驱动信号VH施加至TN装置26及28，其使得表面未接触分子轴向34n及40n分别几近垂直于电极层32及38所界定之液晶装置边界，除了分子轴向34C及40C之薄层之外。同样地，该结合之TN装置26与28在此电压处彼此补偿。
图3C显示在驱动信号VH被自TN装置26及28移除并置换成驱动信号VL之后一短暂时间内的分子轴向方位之一快照，分别由显示器驱动电路52中的开关位置501及502所示。每一TN装置26及28中间的小箭头58表示其各自的表面未接触分子轴向34n及40n正处于返回扭转状态的松释过程之中。此例中其进行动态补偿。
图3D显示TN装置26被以高电压强度驱动信号VH导通而TN装置28维持于VL。TN装置26与28之组合不再有补偿的效果，因为施加至TN装置26与28之驱动信号已然不同。第一TN装置26之偏极化状态保留不变，而第二TN装置28将偏极化状态旋转-90°。TN液晶装置26及28之组合因此将偏极化状态旋转-90°而从输入偏极化方向42变成一水平输出偏极化方向44。
图4例示该第一较佳实施例之一电子驱动机制，其达成二偏极化状态之间的快速、供电式之切换。图4的线图(a)显示施加至第一TN装置26之驱动信号，而图4的线图(b)显示施加至第二TN装置28之驱动信号。
在一第一子图框之开始，t=t0，一初始于-VH的高电压位准+VH施加至第一TN装置26，且一初始于零的电压位准+VH施加至第二TN装置28。电压+VH及-VH是强度相等，且向列型液晶材料对其反应相同，因为其对极性并无反应。其使用强度相等但符号相反的驱动电压达成净DC平衡以保持液晶材料的长期稳定性。其中VH之强度通常是25伏特，但其可以更高或更低，取决于所需之切换速度以及液晶材料的门坎电压。第一TN装置26已经处于高电压强度位准VH且第二TN装置28从0到+VH的转变是一供电式转变，故补偿迅速达成，而结果的偏极化方向在此时段内维持于垂直方向0°，如图4的线图(e)所示。图4的线图(c)及(d)表示第一及第二TN装置26及28中间的分子轴向的层间倾斜角在此电压处几近90°(亦参见图3B)。在t=t1时，VL(其中在此情况下VL=0)同时施加至TN装置26及28，且其在第一子图框时段内选择够早的t1，使得液晶材料在第一子图框结束于t=t2处大致松释成其均衡状态。此松释在图4的线图(c)及(d)之中表示成此时段内的层间倾斜角之衰减(亦参见图3C)。TN装置26与28在整个第一子图框期间彼此补偿，开始时是静态补偿，而稍后在TN装置26及28依序松释时，则呈动态补偿。尽管松释正在进行，但在t=t1处，该二TN装置26与28之中的从+VH到零的非供电式、缓慢转变之光学效应维持"隐秘"(意即，对于观赏者而言是光学上不可看见的)，且在整个第一子图框期间，如图4的线图(e)所示，输出偏极化垂直地维持偏极化于0°。在第一子图框结束处，TN装置26及28均处于图3A所示之低电压状态。
在第二子图框的开始处，t=t2，TN装置26被以一高电压位准+VH再次导通，而TN装置28维持于低电压位准VL处，如图4的线图(a)和(b)所示(亦参见图3D)，且这些驱动电压维持不变直到t=t3的第二子图框结束处为止。在t=t2处将第一TN装置26从零切换至+VH是一供电式转变，因此极为快速。在第二子图框期间，TN装置26及28不再彼此补偿，且该组合此时之作用是如同一90°偏极化旋转器，如图4中的线图(e)所示，其中第一TN装置26对输入偏极化无所作用，而第二TN装置28则执行偏极化方向旋转。
开始于t=t3处的下一个子图框是一反相第一子图框，其中所施加的驱动信号电压具有相同之强度但符号相反以保持DC平衡。以相同之方式，其后的子图框是一反相第二子图框。驱动信号波形在图4所示的最末一个子图框之后继续重复。图4线图(c)、(d)、及(e)中的曲线部分在电压反相子图框之中者分别与第一及第二子图框之中者相同，因为向列型液晶对极性并无反应。此偏极化切换之程序可以无限期地持续，其中液晶装置组合在奇数子图框期间通过0°的垂直方向偏极化光，而在偶数子图框期间通过90°的水平方向偏极化光。
图4的线图(f)和(g)显示一配戴被动式眼镜或一被动式译码器之观赏者将看见的输出透光度，该被动式眼镜或被动式译码器包含一第一观看装置，例如，一位于左侧目镜透镜中的垂直方位分析偏光板，以及一第二观看装置，例如，一位于右侧目镜透镜中的水平方位分析偏光板。显示于图3A、3B、3C、及3D中的输出偏光板60代表上述被动式译码器的该二个分析偏光板的其中之一。以此组态，左侧目镜透镜将在奇数子图框期间开启而在偶数子图框期间关闭，而右侧目镜透镜将在偶数子图框期间开启而在奇数子图框期间关闭。此实施例将适用于与偏极化开关分隔某一距离的观赏者以及透过空中传送的经过偏极化编码的左眼及右眼影像，如同于电影院中之情形，该偏极化开关可以是接附于影像源22。立体3D观赏将在影像源22显示奇数子图框期间之左眼影像以及偶数子图框期间之右眼影像时进行。图4之线图(f)和(g)所显示的光学转变极为迅速，因为其是供电式转变。用以重置液晶装置的较为缓慢的、非供电式转变维持隐密状态，绝不光学式地显现出来。
描述于第一较佳实施例之中的系统将线性偏极化光在垂直偏极化与水平方向偏极化方向之间切换90°。将输入偏光板24及TN装置26和28旋转45°将造成将线性偏极化光在+45°与-45°之间切换的偏极化调变器20，此亦适用于一被动式眼镜系统，只要每一目镜之透镜中的偏光板亦旋转45°。
第一较佳实施例之偏极化旋转器亦可以藉由将一四分之一波片置于组合TN装置26及28之输出处而实施成在右旋及左旋圆形偏极化光之间切换，其中一主轴之方位被配置成与传播自第二TN装置28之离去表面56之光之线性偏极化之方向成45°。此例中，被动式眼镜之透镜将亦配具四分之一波延迟器薄膜，层压于偏极化薄膜的前方。该四分之一波薄膜可以是多层膜无色形式或是较简单的单层膜着色形式。
习于斯艺者应能认可，将施加至第一较佳实施例之第一及第二TN装置26及28以维持DC平衡之电压的极性反相之顺序具有相当的自由度。例如，舍除在个别子图框之内振幅+VH及-VH之单极性驱动信号脉波，如图4之线图(a)及(b)所示，这些脉波亦可以是振幅+VH及-VH之双极性型态，此从而将在子图框之基础上逐一自动地达成DC平衡，如图5所示。此外，施加至第一及第二TN装置26及28二者或其中之一的驱动信号波形可以具有与图4之线图(a)及(b)中所示者颠倒之极性，此并未脱离所述之运作原理。施加至第一及第二TN装置26及28之驱动信号波形亦可以彼此互换。
图4之驱动机制从0到VH的导通时间可以藉由在施加强度VH的脉波之前施用一强度VOD的短暂过压驱动(overdrive)脉波而使其更为快速，其中|VOD|>|VH|。其选择该过压驱动脉波之振幅及宽度使得当液晶材料内之分子轴向场域抵达对应至稳态VH电压的状态之时，该VOD脉波被关闭并施加VH脉波。此例示于图6的线图(a)和(b)之中，待与图4之线图(a)和(b)比较。利用此过压驱动机制，其有可能降低VH之强度而仍保有快速的反应时间。此种过压驱动脉波之使用可以显著地降低电力消耗，这在诸如一些主动式3D眼镜的电池运作式装置之中是一个重要的因素。
图7显示TN偏极化调变器20之驱动信号状况之一第二较佳实施例，其中分析或输出偏光板60结合偏极化调变器20以使其能够做为用于配合显示左眼及右眼影像子图框之影像源22使用之立体3D观赏的主动式眼镜中之一光快门。主动式眼镜中的左侧目镜及右侧目镜透镜组合件具有相同之结构，其各自包含第一TN装置26及第二TN装置28，如图3A所示，安置于输入偏光板24与输出偏光板60之间。输入偏光板24与输出偏光板60之光传输偏极化轴线被设置成彼此成一直角。右侧目镜透镜之第一及第二TN装置26及28的驱动信号波形显示于图7的线图(a)及(b)之中，而有关左侧目镜透镜者显示于图7的线图(c)及(d)之中。除了相位彼此偏移一个子图框的时间长度之外，左眼的驱动信号波形与右眼相同。右侧目镜透镜之光学传输显示于图7的线图(e)之中，其中显示右侧目镜透镜在左眼影像子图框期间关闭，而在右眼影像子图框期间开启。情况类似地，左侧目镜透镜之光学传输显示于图7的线图(f)之中，其中显示左侧目镜透镜在左眼影像子图框期间开启，而在右眼影像子图框期间关闭。此第二实施例特别适用于当配合一超高速成像器使用之时，诸如德州仪器(Texas Instruments)DLP成像装置，其采用数字控制微镜组(micromirrors)。由于其是一数字装置，故该DLP在整个子图框时段内透过一连串数字脉波代表灰阶之编码。当其配合一DLP成像装置使用之时，一极为快速的光学快门不仅在该快门被开启时维持一高度的整体传输，并且亦避免位于每一子图框的开始或结束处之基本灰阶信息之衰减，在使用一反应缓慢的快门时，这些信息将发生衰减而降低影像重现之质量。
图8显示用于立体3D观赏之主动式眼镜之驱动状况之一第三较佳实施例。此第三实施例之驱动状况类似图7之第二实施例所显示之驱动状况，除了每一子图框开始处之前一个产生的空白时段之驱动信号波形之外。对于某些成像装置而言，其需要特定长度之时间以更新影像。举例而言，当右眼影像正被写入屏幕顶端之时，屏幕的较低部位将仍显示先前的左眼影像。故对于右眼影像正在更新之时段，双眼的快门透镜均闭合以避免令人不悦的干扰或迭影现象。左眼影像正在更新时，其情况类似。
图8中的线图(a)及(b)分别显示右侧目镜透镜中的第一和第二TN装置26及28之驱动信号波形。对于从左眼子图框之开始t0到t1之时段，右眼的第一及第二TN装置26和28接收高强度电压位准VH，故TN装置26及28彼此补偿，造成一光阻隔状态，如图8中线图(e)之光学反应曲线所示。左眼影像子图框的其余部分期间，一低强度电压位准VL，此例中是零，被施加至右侧目镜透镜之第一及第二TN装置26及28，故其衰减但维持动态补偿，使得右侧目镜透镜维持关闭。时间点t1可以发生于时段Lu之内，此时左眼影像正在更新，或者其可以发生于更新时段Lu之内或之后。在右眼影像正在时段Ru期间内进行更新的右影像子图框的开始处，右眼透镜之第一及第二TN装置26及28接收VL，使得TN装置26及28彼此补偿，造成一光阻隔状态，如图8中线图(e)之光学反应曲线所示。在时段R的开始处，此时右眼影像已被更新，右侧目镜透镜之第一TN装置26被导通至一高电压强度位准VH，同时第二TN装置28维持于VL，使得右侧目镜透镜在此时段期间被开启，而允许观赏者能够看见已更新之右眼影像。
图8中的线图(c)及(d)分别显示左侧目镜透镜中的第一和第二TN装置26及28之驱动信号波形。其应注意左侧目镜驱动信号波形只是右侧目镜驱动信号波形的相位偏移变形，其偏移一个子图框的时间长度。显示于图8线图(f)中的光学反应因此只是显示于图8线图(e)中的右眼反应的一个相位偏移变形。参照图8之线图(e)及(f)，其达成双眼所需之光学反应。在更新时段Lu和Ru之中，右侧及左侧目镜透镜二者均被关闭。在左眼子图框中左眼影像完全更新后的部分L的期间内，只有左侧目镜透镜被开启；而在右眼子图框中右眼影像完全更新后的部分R的期间内，只有右侧目镜透镜被开启。
除了TN模式之外，其亦可以采用其他的液晶光电模式以执行偏极化状态补偿。一第四较佳实施例使用二电场控制双折射型(electrically controlledbirefringence；ECB)液晶装置。ECB液晶装置包含二种形式，使用具有正介电质异相性之液晶材料，以及使用具有负介电质异相性之液晶材料。后者之形式亦被称为垂直排列型(vertically aligned；VA)或者垂直向列型(vertically alignednematic；VAN)模式。当依据本揭示使用时，正型及负型二者均适用于偏极化调变器。
图9A、9B、9C、及9D显示一使用二正型ECB模式液晶装置之偏极化调变器80之一实例。图9A显示一位于左侧之输入偏光板82，其后跟随一第一ECB液晶装置84和一第二ECB液晶装置86，组合于光学序列之中。第一ECB装置84是以液晶材料包含于玻璃基板88之间构建而成，玻璃基板88具有透光电极层90形成于其上之内表面。该液晶材料包含电极表面接触分子轴向92C以及电极表面未接触分子轴向92n。第二ECB装置86是以液晶材料包含于玻璃基板94之间构建而成，玻璃基板94具有透光电极层96形成于其上之内表面。该液晶材料包含电极表面接触分子轴向98c以及电极表面未接触分子轴向98n。该二ECB液晶装置84及86满足早先针对补偿所提之条件。传播自影像源22的光以一输入偏极化方向100离开偏光板82，其被显示成一倾斜圆柱体，表示偏极化之方向与图面之平面成+45°角。
图9A显示一驱动信号的低电压强度位准VL从显示器驱动电路102施加至ECB装置84及86二者。驱动信号位准VL低于ECB门坎电压或甚至等于零。在此电压处，第一ECB装置84中的分子轴向92C及92n位于图面的平面之中并平行于基板88，而第二ECB装置86中的分子轴向98C及98n位于一垂直于图面的平面之中并平行于基板94。其藉由代表第一ECB装置84中由侧面检视的区域分子轴向之圆柱体92C和92n以及第二ECB装置86中由底部检视的圆柱体98C和98n显示此状况。分别相对于基板88及94的内表面之表面接触分子轴向92C及98C的微小预倾角(pretilt angle)并未显示于图中。在每一ECB装置84及86之内，其区域分子轴向均彼此平行。在施加的驱动信号位准VL处，ECB装置84及86二者均具备一平面内延迟(in-plane retardation)Γ0之特征，其各自均相同。在图9A之中，该二ECB装置84及86彼此补偿，使得入射光之偏极化状态在通过其组合之后维持不变。
图9B显示同一驱动信号的高电压强度位准VH施加至第一ECB装置84和第二ECB装置86二者，从而使得分子轴向92n及98n之排列分别几近垂直于由电极层90及96所界定的液晶装置边界，但分子轴向92C及98C之薄表面层则不然。由于分子轴向92C及98C之薄表面层，每一ECB装置84及86均具有一微小的残余平面内延迟ΓR；但是因为ECB装置84及86之ΓR的慢轴(slow axis)是呈正交排列，故其仍然彼此补偿。
图9C显示在驱动信号位准VH被自ECB装置84及86移除并置换成驱动信号位准VL之后一短暂时间内的分子轴向方位之一时间点上之快照，分别由显示器驱动电路102中的开关1041及1042之开关位置所示。显示于第一ECB装置84中表面未接触分子轴向92n之中央分子轴向上之小箭头110表示该中央分子轴向正处于旋转回图9A所示之平行状态之过程。同样的旋转发生于第二ECB装置86之中，如分别以
Figure BDA00001761470800191
及⊙符号表示的进入及离开图面平面之箭头112所示。表面未接触分子轴向92n藉由在图面平面中旋转而在第一ECB装置84之中松释，而表面未接触分子轴向98n藉由以垂直于分子轴向92n且位于图面平面中之轴线为中心旋转而在第二ECB装置86之中松释。此例中其进行动态补偿。
图9D显示第一ECB装置84被以一驱动信号之高电压强度位准VH导通而ECB装置86维持于VL之情形。ECB装置84与86之组合不再进行补偿，因为施加至ECB装置84与86之驱动信号已然不同。第一ECB装置84引出一残余平面内延迟ΓR，而第二ECB装置86引出一平面内延迟Γ0，从而造成一个总延迟Γ0-ΓR，因为残余及平面内延迟之慢轴彼此成90°角。利用Γ0-ΓR=λ/2得到偏极化调变器80之90°偏极化旋转，其中λ是光线之设计波长，如输出偏极化方向110所示。
使用以一具有正介电质异相性之向列型液晶混合物构建而成之二ECB装置84及86的第四实施例已然经由实验实现。每一ECB装置均利用氧化铟锡(ITO)涂覆玻璃基板制成，且液晶分子轴向排列均配具摩擦聚酰亚胺(rubbedpolyimide)，使得当组装该二基板之时，顶部及底部基板之摩擦方向彼此呈反向平行。表面接触分子轴向之预倾角大约是4°，且利用密封材料中之隔离件(spacer)提供一2.5微米之晶盒间隙d。该ECB液晶装置被填充以可自德国(Germany)Darmstadt的Merck KGaA公司取得的向列型液晶混合物MLC-7030。该MLC-7030混合物具有一0.1102之双折射性。
图10A及10B显示施加至第一及第二ECB装置84及86之驱动信号波形。此例中，子图框时间长度是5.0毫秒，对应至一200HZ之频率。此例中其选择双极性驱动信号脉波以在每一子图框内提供DC平衡，如早先所述。一0.25毫秒宽的+20伏特脉波，其后跟随一0.25毫秒宽的-20伏特脉波，在第一子图框的开始处施加至ECB装置84及86二者。这些脉波之后，在5毫秒子图框的其余时间内，ECB装置84与86二者均接收0伏特。在第二子图框的开始处，第一ECB装置84接收一2.5毫秒宽的+20伏特脉波，其后跟随一2.5毫秒宽的-20伏特脉波，同时第二ECB装置86被维持于0伏特。图10C显示当偏极化调变器80被安置于正交排列的偏光板之间时所量测到的光学反应，其中第一ECB装置84之排列方向与输入偏极化方向100成45°角。其是在25°C下进行量测。关闭及导通时间二者均是毫秒以下之等级，且并无光学性的显现在0.5毫秒与5毫秒之间的时段中有发生动态补偿，此意味ECB装置84及86中的分子轴向场域之衰减极为精确地彼此相随。图10D是图10C接近转变处之一放大形式，其显示光学快门具有一大约60微秒之导通时间以及一大约80微秒之关闭时间。这些反应时间之短促足以容许高达480Hz的切换频率之动作。
一第五较佳实施例是一使用二π液晶盒而非二ECB液晶装置之偏极化状态调变器。如同ECB装置，π液晶盒是一具有一受电压控制之平面内延迟之液晶装置。该π液晶盒具有一类似正ECB液晶装置之结构，除了组装基板之聚酰亚胺摩擦方向是一平行方向，而非一反向的平行方向。然而，π液晶盒内的分子轴向场域与正ECB液晶装置全然不同，相异处在于液晶层中间的表面未接触分子轴向在高电压及低电压驱动信号状态下均垂直液晶装置边界，以及在于大部分的切换均发生于靠近液晶装置的边界处。
图11A、11B、11C、及11D显示一使用二π液晶盒之偏极化调变器120之一实例。图11A显示一位于左侧之输入偏光板82，其后跟随一第一π液晶盒122以及一第二π液晶盒124，组合于光学序列之中。图9A、9B、9C、及9D中的ECB装置84和86显现表面接触分子轴向平行排列，而π液晶盒122与124则显现出表面接触分子轴向之反向平行排列；除此之外，这些液晶装置彼此类似且其对应组件均表示为相同之参考编号。其安排π液晶盒122及124使得其光轴在π液晶盒122及124的光传播表面(意即，进入表面54及离去表面56)上的投影彼此正交相关。该二π液晶盒122及124满足早先针对补偿所提之条件。传播自影像源22的光以输入偏极化方向100离开偏光板82，其被显示成一倾斜圆柱体，表示偏极化之方向与图面平面成+45°角。
图11A显示一驱动信号之低电压强度位准VL从显示器驱动电路126施加至π液晶盒122及124。驱动信号位准VL通常被称为一偏压(bias voltage)，用以防止π液晶盒之内部分子轴向场域结构转变成无用的展曲状态(splay state)结构。基于此原因，驱动信号位准VL一般而言不是零。在所施的驱动信号位准VL处，第一π液晶盒122中的表面未接触分子轴向130n是位于图面平面之中，而第二π液晶盒124中的表面未接触分子轴向132n是位于一垂直于图面平面及基板94的平面之中。在施加的驱动信号位准VL处，π液晶盒122及124二者均具备一平面内延迟Γ0之特征，其各自均相同。在图11A之中，该二π液晶盒122及124彼此补偿，使得入射光之偏极化状态在通过其组合之后维持不变。
图11B显示同一驱动信号的高电压强度位准VH施加至第一π液晶盒122和第二π液晶盒124二者，从而使得靠近液晶装置边界的分子轴向130n及132n之排列分别更加垂直于基板88及94。由于分子轴向130c及132c之薄表面层，每一π液晶盒122及124均具有一微小的残余平面内延迟ΓR；但是因为π液晶盒122及124之ΓR的慢轴是呈正交排列，故其仍然彼此补偿。
图11C显示在驱动信号位准VH被自π液晶盒122及124移除并置换成驱动信号位准VL之后一短暂时间内的分子轴向方位之一时间点上之快照，分别由驱动电路126中的开关1341及1342之开关位置所示。显示于第一π液晶盒122中的表面未接触分子轴向130n上的小箭头140表示其正处于旋转回图11A所示之驱动信号位准VL状态的过程之中。同样的旋转发生于第二π液晶盒124之中，如分别以
Figure BDA00001761470800211
及⊙符号表示的进入及离开图面平面之箭头142所示。表面未接触分子轴向130n藉由在图面平面中旋转而在第一π液晶盒122之中松释，而表面未接触分子轴向132n藉由以垂直于分子轴向132n且位于图面平面中之轴线为中心旋转而在第二π液晶盒124之中松释。此例中其进行动态补偿。
图11D显示第一π液晶盒122被以一驱动信号之高电压强度位准VH导通而第二π液晶盒124维持于VL之情形。因为施加至π液晶盒122与124之驱动信号已然不同，故π液晶盒122与124之组合不再进行补偿。第一π液晶盒122引出一残余平面内延迟ΓR，而第二π液晶盒124引出一平面内延迟Γ0，从而造成一个总延迟Γ0-ΓR，因为二个平面内延迟之慢轴彼此成90°角。利用Γ0-ΓR=λ/2得到偏极化调变器120之90°偏极化旋转，其中λ是光线之设计波长，如输出偏极化方向110所示。
由于展曲状态的出现，故π液晶盒之电压位准VL不能被设成零，而此减缓VH到VL的驱动信号位准转变，若π液晶盒可以被切换至一个强度小于VL的电压，理想情况下甚至是零，则该位准转变可以较快。然而，藉由切换至一小于VL之电压，若仅维持一短暂时间，则有可能加速该转变。此被称为欠压驱动(underdrive)技术。该欠压驱动电压是VUD，其中VUD<VL。此欠压驱动技术亦可以结合图6所示的过压驱动技术以获得较快的上升及下降时间。图12显示过压驱动以及VUD=0的欠压驱动之结合。图12的线图(a)显示施加至第一π液晶盒122之驱动信号波形，而图12的线图(b)显示施加至第二π液晶盒124之驱动信号波形。
图13A及13B显示一实例，其中具有如图9A、9B、9C、及9D所示之第一ECB装置84和第二ECB装置86之一偏极化调变器80′被使用于一使用被动式眼镜152之立体3D观赏系统150之中。在此实例之中，一输入偏光板82′是一具有一垂直输入偏极化方向100′之线性偏光板，而处于非启动状态之第一及第二ECB装置84及86基本上是半波光学延迟器。第一ECB装置84之慢轴154之方位被配置成相对于垂直轴线成+45°，而第二ECB装置86之慢轴156之方位被配置成相对于垂直轴线成-45°。输出偏光板60R及60L分别位于观看者所配戴之被动式眼镜152之右侧及左侧目镜透镜之中。在此实例之中，位于右眼(R眼)前方的偏光板60R是一具有一水平偏极化方向(90°)之线性偏光板，位于左眼(L眼)前方的偏光板60L是一具有一垂直偏极化方向(0°)之线性偏光板。系统150可用以于一直接观赏系统之中观看立体影像，其中影像源22是一具有偏极化调变器80′置于其上的电视屏幕。系统150亦可用以于一立体投影系统之中观看影像，其中偏极化调变器80′置于一投影器型影像源22之内部或前方，该投影器型影像源22投射偏极化调变影像于一屏幕之上而由一配戴被动式眼镜152之观赏者观看。
图13A及13B之实例之基本运作亦参照图10A、10B、及10C描述于下。参照图13A，在ECB装置84及86接收相同电压的第一子图框期间，输出偏极化方向110′被偏极化成与输入偏极化方向100′之同一0°(垂直)方向。投射至右侧目镜透镜上的影像被阻隔，因为其相关偏光板60R之传输轴之方位是配置于90°，而投射至左侧目镜透镜上的影像则被传送，因为其相关偏光板60L之传输轴之方位是配置于0°。因此，在影像源22正在显示左眼的观看景象的第一子图框期间，其被传送(亮长方形158)至左眼并阻绝(暗长方形160)于右眼。
参照图13B，第二子图框期间，VH施加至第一ECB装置84而VL施加至第二ECB装置86，造成在设计波长处的一个净半波延迟。在设计波长处，此施加电压之组合具有将0°输入偏极化100′旋转90°之效果，使得输出偏极化方向110′成为90°(水平方向)。此时影像透过其相关之90°偏光板60R被传送(亮长方形160)至右眼，而透过其方位配置于0°之相关偏光板60L被阻绝(暗长方形158)于左眼。因此，在影像源22显示右眼观看景象的第二子图框期间，其被传送至右眼而被阻隔于左眼。
然而，第二子图框期间，第一及第二ECB装置84及86之组合仅在设计波长处具现一半波延迟器之性质，其通常是550奈米处，眼睛于此处最为灵敏。在设计波长之外的波长处，输出偏极化状态110′不再是旋转90°的线性输入偏极化状态100′，而是一椭圆型偏极化状态。此非理想化之行为在非设计波长处造成穿透系统150之清楚、导通状态之光线传输被削弱，且更为重要者，在非设计波长处造成光阻隔状态之透过系统150之漏光。此漏光导致3D影像之观看者可以看见令人不悦的迭影。此种清楚与光阻隔状态之非理想性并未发生于第一子图框期间，因为ECB装置84及86补偿所有波长，对于所有波长均造成在一垂直方向上的线性输出偏极化。对于此情形，光阻隔状态之漏光可能相当地低，因为其基本上仅取决于所用的偏光板之品质。
图14显示图13A及13B中所示之系统150之第一及第二子图框期间所产生的清楚与光阻隔状态之仿真光学传输光谱。基于单纯性，模拟之中采用理想的偏光板，其被界定为具有50%的传输是以未经偏极化之光进行。所采用的液晶材料是MLC-7030，可取得自德国Darmstadt的Merck GmbH公司。第一子图框期间，在整个可见光谱之中，一右眼光传输曲线162指出0%的传输，而一左眼光传输曲线164指出50%的传输。然而，在第二子图框期间，位于设计波长处，此例中是550奈米，一右眼光传输曲线166指出50%之传输，而一左眼光传输曲线168指出只有0%传输。光传输曲线166及168显示，在其他波长处，清楚、导通状态之光传输减少，而光阻隔状态之光传输增加。
系统150之一缺点在于设计波长以外的其他波长处的左眼光阻隔状态之漏光量。此意味右眼影像漏出而被左眼看见的令人不悦的迭影。左眼的模拟对比度仅有38.1。系统150之另一缺点在于，当观看者的头部侧向倾斜时，产生额外的迭影效应，因为调变器80′之输出偏极化方向110与被动式眼镜152中的其中一个偏光板之偏极化轴线不再是正交排列，从而使得一无用的偏极化成分在每一眼的光阻隔状态中泄漏出来。
藉由加入一外部四分之一波薄膜，使其慢轴之方位设置成相对于垂直轴线与输出偏极化方向成+45°，如早先之段落所述，则可以使前述的实例对观察者头部的倾斜角度不敏感，至少在设计波长处。该四分之一波薄膜使得偏极化调变器能够在右旋与左旋圆形偏极化光之间切换，而非正交线性偏极化状态。四分之一波薄膜亦可以置于被动式眼镜的光输入侧以解译该右旋及左旋圆形偏极化。对于右眼，该四分之一波薄膜之方位配置使得其慢轴相对于垂直轴线成-45°；而对于左眼，该四分之一波薄膜之方位配置使得其慢轴相对于垂直轴线成+45°。该四分之一波薄膜之后跟随一线性偏光板，其偏极化方向之方位对于双眼均配置成90°。一使用此机制而实施于一立体3D观赏系统150′中之实例显示于图15A及15B之中，其中观赏系统150′是系统150之一经过修改之变形。
图15A及15B之实例之基本运作描述于下。参照图15A，在第一子图框期间，ECB装置84及86接收相同电压因而彼此补偿，使得输出偏极化方向110′被偏极化成与输入偏极化方向100′相同之0°(垂直)方向。其慢轴182之方位被配置成相对于垂直轴线成+45°之一外部四分之一波薄膜180补偿其慢轴186之方位被配置成使得相对于被动式眼镜152′右侧目镜透镜中之垂直轴线成-45°之一四分之一波薄膜184，使得光线维持线性偏极化于0°。此偏极化方向与右侧目镜透镜偏光板60R之90°传输轴成直角，使得投射至被动式眼镜152′之右侧目镜透镜之影像被阻隔于右眼。对于被动式眼镜152′的左侧目镜透镜，一四分之一波薄膜188之慢轴190之方位配置于+45°处，此与位于ECB装置86之输出表面处的外部四分之一波薄膜180之慢轴182方向相同，使得四分之一波薄膜180及188加总成一半波光学延迟器。此半波延迟组合将线性输入偏极化方向100′旋转90°，使其平行于左侧目镜透镜偏光板60L′之传输方向，导致一清楚、导通状态。
参照图15B，第二子图框期间，VH施加至ECB装置84，而VL施加至ECB装置86。此ECB装置84及86之组合因此如同一个其慢轴之方位配置成相对于垂直轴线成-45°之半波片(half-wave plate；HWP)。对于被动式眼镜152′之右侧目镜透镜，四分之一波薄膜180及184彼此补偿，造成整体光学路径中的一个半波总体延迟，其将线性输入偏极化方向100′旋转90°，使其平行于右侧目镜透镜偏光板60R之传输方向，导致一清楚、导通状态。对于被动式眼镜152′的左侧目镜透镜而言，四分之一波薄膜188与外部四分之一波薄膜180之组合等同于一个其慢轴方位配置成相对于垂直轴线成+45°之半波延迟器。此组合补偿ECB装置84和86组合之半波延迟，导致离开四分之一波薄膜188之光被线性偏极化于0°，使其与左侧目镜透镜偏光板60L′之传输方向成直角，造成左眼之一阻隔状态。
对图15A及15B的进一步详细研究显示左眼的光阻隔状态可能产生漏光。在第一子图框期间，ECB装置84及86使用同一液晶混合物并具有相同的晶盒间隙，故其在所有波长的影像携载光线下均彼此补偿。类似之情况，若被动式眼镜152′中的外部四分之一波薄膜180和四分之一波薄膜184及188是由同一材料制成，则这些薄膜亦将对所有的波长在右侧目镜透镜中彼此补偿。结果是，对于所有波长，投射至右侧目镜的影像携载光线均完全与右眼阻隔。
然而，在第二子图框期间，ECB装置84与86加总成一个相对于垂直轴线成-45°之HWP，而外部四分之一波薄膜180与左侧目镜透镜中的四分之一波薄膜188加总成一个相对于垂直轴线成+45°之HWP。此二HWP组合彼此补偿，以在以下二个额外条件之下达成左眼的一个无漏光之光阻隔状态：(1)使ECB装置84及86之组合是一半波延迟器的设计波长与系统150′中之四分之一波薄膜180、184、和188之设计波长相同；以及(2)使用于ECB装置84及86之中的液晶材料之双折射性中的波长色散(wavelength dispersion)与系统150′中的四分之一波薄膜180、184、和188之双折射性中的波长色散大致相同。
市面上可取得之四分之一波薄膜之标称延迟值(nominal retardation)是140奈米，对应至一560奈米之设计波长。由于无法取得其他的延迟数值，故条件(1)之满足可以藉由选择液晶混合物、选择ECB装置84及86之晶盒间隙、以及微调施加至ECB装置84及86之电压VH及VL以符合位于560奈米处之半波光学延迟条件而达成。
由于市面上可取得之四分之一波薄膜类型之数量有限，故满足条件(2)的最实用的方式是选择一个其波长色散匹配其中一个可取得四分之一波薄膜之波长色散的液晶混合物。
波长色散的一种量测可以采用材料在450奈米的双折射性相对于其在650奈米的双折射性之比值D，意即，D=Δn450/Δn650。日本东京的Nitto-Denko公司供应宽带无色形式四分之一波薄膜以及着色形式四分之一波薄膜。Nitto-Denko的宽带无色薄膜具有D=1.00，且是一种二或多层双折射薄膜的迭层结构。Nitto-Denko供应二种不同类型的着色四分之一波薄膜，包括以聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)所制成的D=1.02之NAF类型，以及由聚碳酸酯(polycarbonate)所制成的D=1.14之NRF类型。由于已知并无具有D=1.00或甚至1.02之液晶混合物，故条件(2)之满足需要针对一ECB装置选择一具有所需的例如双折射性及黏性之材料性质之液晶混合物，并具有一与聚碳酸酯类型四分之一波薄膜之色散数值匹配之色散数值。前述之Merck液晶MLC-7030符合ECB装置需求且具有一色散D=1.15，此大致等于具有D=1.14之聚碳酸酯之色散。
其执行模拟以量化其中MLC-7030使用于ECB装置84及86之中以及其中该三个可取得之四分之一波薄膜类型各自采用于系统150′的其余部分之中之情形将自系统150′获得的泄漏总量。图16显示左眼的光阻隔状态之仿真传输光谱，其中曲线200代表多层无色四分之一波薄膜，曲线202代表着色聚乙烯醇四分之一波薄膜，而曲线204代表着色聚碳酸酯四分之一波薄膜。由曲线200、202、及204显然可知，无色四分之一波薄膜之使用导致最大的漏光量，其次是紧随其后的聚乙烯醇四分之一波薄膜。聚碳酸酯四分之一波薄膜漏光量的显著减少是肇因于聚碳酸酯与液晶之间波长色散的紧密匹配，从而达成大致上摆脱迭影效应之一高对比度度立体影像。
图17显示其中MLC-7030被使用于ECB装置84及86之中并且四分之一波薄膜180、184、及188是由聚碳酸酯构成之最佳情况之立体系统150′之光学传输仿真结果。右眼及左眼光导通状态之光谱(曲线206及208)几乎完全相同，右眼及左眼之光阻隔状态(曲线210及212)亦然。每一眼的此种对称行为以及牢不可破的光阻隔状态是一个欲避免迭影效应及颜色偏移的立体观赏机制亟待拥有之性质。图14的线性偏极化系统150与图17的优化圆形偏极化系统150′之间的比较差异极为显著。在线性偏极化系统150之中，一眼的阻隔状态中的漏光引入实质的迭影效应，且右眼及左眼的清楚、导通状态中的光谱差异将难以修正的双眼颜色偏移引入影像之中。
图18显示针对最佳情况使用市面上可取得之偏光板的立体系统150′的光学传输之实际量测，其中液晶混合物与四分之一波薄膜的色散大致匹配，此例中其分别是MLC-7030液晶以及聚碳酸酯四分之一波薄膜。右眼(曲线206)及左眼(曲线208)的漏光在大部分的可见光谱下均几乎为零；而右眼(曲线210)及左眼(曲线212)的清楚、导通状态基本上完全相同，此验证了图17之模拟。曲线206与208中的明显振荡是由于ECB装置84及86中的干扰效应所造成，这些效应在产生图17中所示的模拟之中并未列入考虑。
图19显示一立体3D观赏系统150″，其使用包含保护性三醋酸纤维素(triacetate cellulose；TAC)载体层220、222、及224之被动式眼镜152″。TAC层220、222、及224亦包含于立体观赏系统150及150′之中，但基于清楚之目的，并未显示于图13A、13B、15A、和15B之中，因为其说明并未牵涉视角之考虑。TAC层220及222分别位于目镜透镜中的偏光板60R及60L′的内侧；而TAC层224是位于偏极化调变器80″中的偏光板82′之内侧。位于偏光板60R、60L′、及82′外侧的TAC层对于视角之特性并无影响，因此未显示于图19之中。这些TAC层可以使用负单轴双折射薄膜加以模拟，该薄膜具有一大约-40奈米的平面外延迟(out-of-plane retardation)以及垂直于薄膜的光轴。由于具有双折射性，故ECB装置84及86、四分之一波薄膜180、184、及188、以及TAC层220、222、及224均影响离轴视野之对比度。图19显示系统150″亦包含一位于偏极化调变器80″与被动式眼镜152″之间的选择性正C型薄膜补偿器226。一正C型薄膜是其慢轴垂直于薄膜之一正单轴双折射薄膜。
计算机仿真显示其可以藉由将正C型薄膜补偿器226置放于图19所示之位置并将其平面外延迟优化成280奈米而大幅增进右眼及左眼的离轴对比度。取决于应用，正C型薄膜补偿器226可以是层压于调变器80″的外部四分之一波薄膜180之外侧或者是部分位于被动式眼镜152″之四分之一波薄膜184及188之外侧。
图20A、20B、20C、及20D显示系统150″之仿真等对比(iso-contrast)视角图，其中图20A及20B分别显示未使用选择性正C型薄膜补偿器226之左眼和右眼的系统特征视角效能，而图20C及20D则分别显示使用选择性正C型薄膜补偿器之左眼和右眼的系统特征视角效能。这些示意图是在极角(polarangle)从0°到60°以及方位角从0°到360°所观测到的对比度之等高线。这些等对比度图提供存在于离轴视野的迭影量之一有用量测。图中显示20和100的对比度等高线。图20A及20B显示，在无正C型薄膜补偿器226之下，右眼的高对比度视角之系统特征范围显著地窄于左眼。图20C及20D显示，加入+280奈米正C型薄膜补偿器226可以显著地扩大右眼可观测到一高对比度的视角之系统特征范围，从而使得右眼和左眼的高对比度视野方向之范围大致相同。
其亦可以将正C型薄膜补偿器226插入图19所示位置以外的光学路径中的位置，诸如介于ECB装置86与外部四分之一波薄膜180之间、介于输入偏光板TAC层224与第一ECB装置84之间、或者是介于四分之一波薄膜184及188以及与其相连的偏光板TAC层220及222之间。仿真显示将正C型薄膜补偿器226置放于这些替代位置扩大视角的程度并未达到将正C型薄膜补偿器226置放于图19所示处可达成的水平。
在图19的被动式眼镜实例之中，一正C型薄膜补偿器226被置放于偏极化调变器80″之上。一正C型补偿器226亦可以使用于主动式眼镜，如图21中之一目镜230所示。对于主动式眼镜之情形，右侧及左侧目镜透镜具有相同之结构，差异在于主动式眼镜是以相位相异之方式驱动，如图7及先前相关段落对TN装置之描述所例示。
图22A及22B之仿真等对比图显示，藉由如图21所例示将一400奈米正C型薄膜226纳入光学路径之中，可以显著地扩大具有极小迭影效应的高对比度视角之范围。对于此例，如图22B所示，对比度是至少100:1者可达25°极角，而至少20:1者可达35°极角。仿真显示，具有范围350奈米至400奈米之内的平面外延迟之正C型薄膜提供良好的结果，且对于此实例400奈米最佳。
例示于图19及图21之中的前述实施例采用具有正介电质异相性之ECB装置。以下描述其中液晶装置采用具有负介电质异相性液晶材料之实施例，其是使用于垂直向列型(VAN)装置之中。
图23A、23B、23C、及23D显示一使用二VAN模式液晶装置之偏极化调变器240之一实例。图23A显示一位于左侧之输入偏光板82，其后跟随一第一VAN液晶装置244和一第二VAN液晶装置246，组合于光学序列之中。第一VAN装置244是以液晶材料包含于玻璃基板248之间构建而成，玻璃基板248具有透光电极层250形成于其上之内表面。该液晶材料包含电极表面接触分子轴向252c以及电极表面未接触分子轴向252n。第二VAN装置246是以液晶材料包含于玻璃基板254之间构建而成，玻璃基板254具有透光电极层256形成于其上之内表面。该液晶材料包含电极表面接触分子轴向258c以及电极表面未接触分子轴向258n。该二VAN液晶装置244及246满足早先针对补偿所提之条件。传播自影像源22的光以一输入偏极化方向100离开偏光板82，其被显示成一倾斜圆柱体，表示偏极化之方向与图面平面成+45°角。
图23A显示一驱动信号之低电压强度位准VL从显示器驱动电路262施加至VAN装置244及246二者。驱动信号位准VL低于VAN门坎电压或甚至等于零。在此电压处，第一VAN装置244中的分子轴向252C及252n是垂直于基板248，而第二VAN装置246中的分子轴向258C及258n是垂直于基板254。其藉由代表第一VAN装置244中由侧面检视的区域分子轴向之圆柱体252c和252n以及第二VAN装置246中由侧面检视的圆柱体258c和258n显示此状况。分别相对于基板248及254法线方向之表面接触分子轴向252c及258C的微小预倾角并未显示于图中。在每一VAN装置244及246之内，其区域分子轴向均彼此平行。在施加的驱动信号位准VL处，VAN装置244及246二者均具备一残余平面内延迟ΓR之特征，各自均相同；但由于VAN装置244及246之ΓR的慢轴是正交排列，故其仍彼此补偿，且入射光之偏极化状态在通过其组合之后维持不变。
图23B显示同一驱动信号的高电压强度位准VH施加至第一VAN装置244和第二VAN装置246二者，从而使得分子轴向252n及258n之排列分别几近平行于由电极层250及256所界定的液晶装置边界。
图23C显示在驱动信号位准VH被自VAN装置244及246移除并置换成驱动信号位准VL之后一短暂时间内的分子轴向方位之一时间点上之快照，分别由显示器驱动电路262中的开关2641及2642之开关位置所示。显示于第一VAN装置244中表面未接触分子轴向252n之中央分子轴向上之小箭头270表示该中央分子轴向正处于旋转回图23A所示之垂直排列状态之过程。同样的旋转发生于第二VAN装置246之中，如分别以
Figure BDA00001761470800301
及⊙符号表示的进入及离开图面平面之箭头272所示。表面未接触分子轴向252n藉由在图面平面之中旋转而在第一VAN装置244之中松释，而表面未接触分子轴向258n藉由在一垂直于图面且垂直于基板的平面之中旋转而在第二VAN装置246之中松释。此例中其进行动态补偿。
图23D显示第一VAN装置244维持于VL而第二VAN装置246被以一驱动信号之高电压强度位准VH导通之情形。VAN装置244与246之组合不再进行补偿，因为施加至VAN装置244与246之驱动信号已然不同。第一VAN装置244引出一残余的平面内延迟ΓR，而第二VAN装置246引出一平面内延迟Γ0，从而造成一个总延迟Γ0-ΓR，因为残余及平面内延迟之慢轴彼此成90°角。利用Γ0-ΓR=λ/2得到偏极化调变器240之90°偏极化旋转，其中λ是光线之设计波长，如输出偏极化方向110所示。
以下参照图24A及24B说明使用VAN装置之主动式眼镜的视角补偿，其中显示于图24A中之一调变器组件堆栈230′未纳入补偿，而显示于图24B中之一调变器组件堆栈230″包含二个市售之Nitto-Denko 55-275双轴延迟器薄膜274及276。上方延迟器274之慢轴平行于相邻偏光板60之传输轴，而下方延迟器276之慢轴平行于相邻偏光板82之传输轴。偏光板60及82之传输轴彼此正交排列。此VAN装置中的液晶材料是负介电质异相性材料MLC-7026-100，可取得自德国Darmstadt的Merck Gmb公司。当然，采用不同延迟器和液晶混合物的其他实施例亦将适于实施所揭示之补偿。
图25A及25B之仿真等对比图显示，藉由加入如图24B所示的二Nitto55-275补偿器薄膜274及276，可以显著地增进高对比度视角之范围。图25A显示，在无补偿之下，VAN对比度是至少100:1者可达19°极角，而至少20:1者可达30°极角。此与图22的未补偿ECB情况相当。然而，图25B显示，补偿之后，VAN对比度是至少100:1者可达30°，而至少20:1者则可达45°。此远较图22的未补偿ECB情况扩大许多，其中对比度是至少100:1者仅可达25°，而20:1则仅达35°。
VAN装置亦可用于使用被动式眼镜的立体观赏系统，如图26所示。左眼及右眼的仿真等对比图显示于图27A及27B之中。图27A及27B与图20A及20B的比较显示，在无薄膜补偿之下，使用VAN装置的偏极化调变器的高对比度视野的角度范围比ECB装置宽。
图20A、20B、20C、及20D显示ECB装置，而图27A及27B显示VAN装置，当被动式眼镜配合所揭示的偏极化调变器使用之时，右眼及左眼的视角特征全然不同。为了针对每一眼均达到最佳的高对比度视角范围，目镜被分别补偿。
举例而言，图28显示一种采用如图23A、23B、23C、及23D所示之VAN装置以及被动式眼镜152′″之立体观赏系统，其中右眼及左眼的目镜之中使用不同的补偿薄膜。在右侧目镜之中，一具有62奈米平面内延迟及309奈米平面外延迟之双轴补偿器280被安置于TAC层220与四分之一波薄膜184之间。双轴补偿器280之慢轴之方位配置于90°，此平行其相邻偏光板60R之传输轴。在左侧目镜之中，视角补偿是利用一150奈米正C型薄膜282置放于左侧目镜中的四分之一波薄膜188的前方以及一100奈米正A型薄膜284置于TAC层222与四分之一波薄膜188之间之组合达成，其中正A型薄膜284之慢轴之方位被配置成平行于相邻偏光板60L′之传输轴。一正A型薄膜是其慢轴位于薄膜平面中之一正单轴双折射薄膜。
图29A及29B显示图28所例示之分别补偿目镜组态之左眼及右眼之模拟等对比图。较之图27A及27B所示之未补偿立体观赏系统，其达成远较其宽的高对比度视角。
举例而言，图30显示一种采用如图9A、9B、9C、及9D所示之ECB装置以及被动式眼镜152″″之立体观赏系统，其中右眼及左眼的目镜之中使用不同的补偿薄膜。在右侧目镜之中，一300奈米正C型薄膜286置放于四分之一波薄膜184的前方以及一350奈米正A型薄膜288置于偏光板TAC层220与四分之一波薄膜184之间，其中正A型薄膜288之慢轴之方位被配置成平行于相邻偏光板60R之传输轴。在左侧目镜之中，视角补偿是利用一150奈米正C型薄膜282置放于左侧目镜中的四分之一波薄膜188的前方以及一100奈米正A型薄膜284置于偏光板TAC层222与四分之一波薄膜188之间之组合达成，其中正A型薄膜284之慢轴之方位被配置成平行于相邻偏光板60L′之传输轴。
图31A及31B显示图30所例示之分别补偿目镜组态之左眼及右眼之模拟等对比图。相较于图20A及20B所示之未补偿立体系统，或者甚至图20C及20D所示之补偿系统，其达成一远远较宽之高对比度视角范围，其中双眼接收同一角度之补偿器。
在所揭示偏极化状态调变器的许多应用之中，温度可以并未维持固定且可以在一广阔范围之内变动，例如暖机时间中包含于一投影机内之一调变器之情形。由于液晶之材料性质已知是温度相关的，特别其双折射性，温度上的任何改变均将使组合之第一及第二液晶装置之半波光学延迟状态之波长偏离设计波长。此偏离将造成采用主动式或被动式眼镜之立体观赏系统的明亮状态中的亮度减损和颜色偏移。此外，在这些采用被动式眼镜的系统之中，使得为半波状态设定之波长远离四分之一波薄膜设计波长(此对温度相当不敏感)的任何偏移均将导致传送至观看者左眼的影像中的迭影增加。
对于一向列型液晶而言，双折射性之温度相关性Δn可以由以下公式大致估算：
&Delta;n ( T ) = &Delta;n 0 &CenterDot; ( 1 - T T clp ) 0.25 ,
其中T是以绝对温度为单位之温度度数，Tclp是以绝对温度为单位之向列型等向转变温度，而Δn0代表具有一单位顺序参数之一完美顺序向列型液晶之一虚拟双折射性。藉由将双折射性标准化成一固定温度，例如20°C，可以将式中的Δn0分解出此方程式。
图32显示ECB混合物MLC-7030与VAN混合物MLC-7026-100之双折射性被标准化于20°C之双折射性的仿真温度相关性，其中ECB混合物MLC-7030在20°C具有0.1126之双折射性以及75°C之Tclp，而VAN混合物MLC-7026-100在20°C具有0.1091之双折射性以及80.5°C之Tclp。这些曲线之形状可能与实际量测者略有偏离，但其趋势应仍相仿。
图33是一显示一填充以ECB混合物MLC-7030并具有3.0微米晶盒间隙及3°预倾角之ECB装置在20°C处之相位偏移之仿真电压相关性之曲线图，其中之相位偏移是以度为单位。当施加电压之时，相位偏移单调地从大约220°减少至0°。此曲线适用于第一或第二ECB装置。由于二ECB装置之慢轴是彼此正交排列，故其中一ECB装置之相位偏移自另一ECB装置之相位偏移减除。在第二子图框期间，一高电压强度VH施加至第一ECB装置，造成一相位延迟ΓR，同时一可以是零的低电压强度VL施加至第二ECB装置，造成一延迟Γ0。将偏极化光旋转90°以达成最佳效能，Γ0-ΓR=λ/2，此是一位于设计波长λ处之180°相位偏移。电压可施加至ECB装置二者或其中之一以达成该180°相位偏移之状态。在图33所示的实例之中，将VH=20.8V施加至第一ECB装置得到一9.1°之相位偏移，而将VL=2.2V施加至第二ECB装置得到一189.1°之相位偏移，达成该组合之预定180°相位偏移差异。
检视图33发现其存在许多将提供一个180°整体相位偏移的可能电压对(VH、VL)。图34以固定180°相位偏移之曲线家族之形式显示这些电压对，每一曲线各自对应至温度20°C、30°C、40°C、或45°C，其中仿真将MLC-7030温度增加时双折射性减少之情况列入考虑，如图32所示。图34清楚呈现其可以依据温度个别或组合式地调整VH及VL，以维持预定之180°相位偏移。其可以特别有利于同时调整VH及VL二者以维持一固定之180°相位偏移。此由图34中之控制线可看出，其中VH及VL二者均随着温度之减少而增加。随温度减少而增加VH在较低温度处确保一快速之导通时间，此处液晶之黏性显著较高。
图35显示一电路300之简化功能方块图，其可用以调整VH及VL之位准以在一宽广的温度范围之中维持一固定之180°相位偏移。在电路300之中，一温度传感器302量测液晶装置304及306之运作温度，并透过处理电路308依据所储存的液晶装置304及306之相位偏移反应调整VH及VL之位准。VH及VL之位准接着被发送至时序及驱动电路310，其将驱动波形施加至液晶装置304及306。所执行的依据传感器302量测之温度对VH及VL位准进行调整之控制程序可以决定自类似图34之曲线，此处将储存并使用实际量测之曲线，而非仿真之近似情况。
图36是一显示一填充以VAN混合物MLC-7026-100并具有3.0微米晶盒间隙及87°预倾角之VAN装置在20°C处之相位偏移之仿真电压相关性之曲线图，其中之相位偏移是以度为单位。当施加电压之时，相位偏移单调地从接近0°增加至大约205°。此曲线适用于第一或第二VAN装置。由于该二VAN装置之慢轴是彼此正交排列，故其中一VAN装置之相位偏移自另一VAN装置之相位偏移减除。在第二子图框期间，一高电压强度VH施加至第二VAN装置，造成一相位延迟Γ0，同时一可以是零的低电压强度VL施加至第一VAN装置，造成一相位延迟ΓR。将偏极化光旋转90°以达成最佳效能Γ0-ΓR=λ/2，此是一位于设计波长λ处之180°相位偏移。电压被施加至VAN装置二者或其中之一以达成该180°相位偏移之状态。在图36所示的实例之中，将VH=24.9V施加至第二VAN装置得到一204.7°之相位偏移，而将VL=2.2V施加至第一VAN装置得到一24.7°之相位偏移，达成该组合预定之180°相位偏移差异。
检视图36发现其存在许多将提供一个180°之整体相位偏移的可能电压对(VH、VL)。图37以固定180°相位偏移之曲线家族之形式显示这些电压对，每一曲线各自对应至温度20°C、30°C、40°C、或45°C，其中模拟将MLC-7026-100温度增加时双折射性减少之情况列入考虑，如图32所示。图36清楚呈现其可以依据温度个别或组合式地调整VH及VL，以维持预定之180°相位偏移。其可以特别有利于同时调整VH及VL二者以维持一固定之180°相位偏移。此由图37中之控制线可看出，其中VH及VL二者均随着温度之减少而增加。随温度减少而增加VH在较低温度处确保一快速之导通时间，此处液晶之黏性显著较高。
前述实施例之细节可以在未脱离本发明之基本原理下进行许多修改，此对于习于斯艺者将是显而易见的。本发明之范畴因此应由以下之申请专利范围所界定。

Claims (31)

1.一种光学偏极化状态调变器，用于一观赏者的分时多任务立体三维影像观看，该调变器以交替顺序接收处于一输入偏极化状态并在包含更新影像部分的不同的第一及第二子图框之中携载一景象的第一及第二透视图像之光，包含：
第一及第二液晶装置，这些组合于光学序列之中，使得透过其传播的偏极化光根据施加至该第一及第二液晶装置的电压接受一偏极化状态的改变；
该第一及第二液晶装置分别具有第一及第二组分子轴向且其经构建及经指向致使，由于所施加的相等电压的移除，位于第一及第二组中的分子轴向彼此相配合地松释并从而动态地偏移偏极化状态变化，使得通过并离开该第一及第二液晶装置的组合的入射光的多个波长均处于该输入偏极化状态；
驱动电路，分别发送第一及第二驱动信号至该第一及第二液晶装置，该第一及第二驱动信号包含针对该第一及第二液晶装置建立较低强度分子轴向场域状态的较低强度位准，且该第一及第二驱动信号包含针对该第一及第二液晶装置建立较高强度分子轴向场域状态的具有较低-至-较高强度位准供电式转变的脉波；
该第一及第二驱动信号在该第一及第二子图框中的一子图框期间彼此配合以造成，在该第一及第二液晶装置之中，在此一子图框的更新影像部分期间分子轴向自其松释的该较高强度分子轴向场域状态的形成，使得位于第一及第二组中的分子轴向偏移偏极化状态的变化并从而授予通过该第一及第二液晶装置的组合的影像携载偏极化光一等于该输入偏极化状态的第一输出偏极化状态；并且
该第一及第二驱动信号在该第一及第二子图框中的另一子图框期间彼此配合以造成，在不同的第一及第二液晶装置之中，在该另一子图框的更新影像部分期间该较低及较高强度分子轴向场域状态的形成，使得位于该第一及第二组中的分子轴向未偏移偏极化状态的变化并从而授予通过该第一及第二液晶装置的组合的影像携载偏极化光一异于该第一输出偏极化状态的第二输出偏极化状态。
2.如申请专利范围第1项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及第二组分子轴向中的一组分子轴向被配置成该第一及第二组分子轴向中另一组分子轴向的一90°旋转镜像。
3.如申请专利范围第2项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及该第二液晶装置的类型是扭转向列型。
4.如申请专利范围第3项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及第二液晶装置包含相等的旋光掺杂物但相反旋旋光性。
5.如申请专利范围第2项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及第二液晶装置包含光传播表面且是一种其光轴配置成位于该光传播表面上的该光轴的投影彼此正交相关的π液晶盒类型。
6.如申请专利范围第2项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及第二液晶装置是电场控制双折射类型，其排列层表面接触分子轴向是配置成使得该第一及第二液晶装置中之一液晶装置的表面接触分子轴向是正交相关于该第一及第二液晶装置中另一液晶装置的表面接触分子轴向。
7.如申请专利范围第1项的光学偏极化状态调变器，具有一光线进入表面和一光线离去表面，且另包含：
一影像源及一输入偏光板，彼此光学式地相连，该影像源以交替的顺序产生该第一及第二透视图像，而处于该输入偏极化状态并携载该第一及第二透视图像的光离开该输入偏光板以投射于该光线入口表面之上；以及
一被动式译码器，包含藉由一传输媒介与该光线离去表面分隔的第一及第二观看装置，且被组构成在不同的该第一及第二子图框期间接收处于该第一及第二输出偏极化状态的影像携载偏极化光，该第一观看装置包含一具有一第一传输偏极化轴的第一偏光板，其被指向以传送该第一输出偏极化状态的光并阻隔该第二输出偏极化状态的光，而该第二观看装置包含一具有一第二传输偏极化轴的第二偏光板，其被指向以传送该第二输出偏极化状态的光并阻隔该第一输出偏极化状态的光线，从而在不同的该第一及第二子图框期间将该第一及第二透视图像呈现给该观赏者。
8.如申请专利范围第1项的光学偏极化状态调变器，具有一光线进入表面和一光线离去表面，且另包含：
一影像源，发出携载该第一及第二透视图像的光，行进通过一传输媒介，并行进通过一输入偏光板而产生该处于该输入偏极化状态并携载该第一及第二透视图像的光，以投射于该光线入口表面；以及
一分析偏光板，光学式地连接该光线离去表面，处于该第一及第二输出偏极化状态其中一状态的影像携载偏极化光通过该分析偏光板而将该第一及第二透视图像对应的其中之一呈现给该观赏者。
9.如申请专利范围第8项的光学偏极化状态调变器，其中该输入偏光板及该分析偏光板分别具有彼此呈横切关系的一输入滤光镜传输偏极化轴以及一分析滤光镜传输偏极化轴。
10.如申请专利范围第1项的光学偏极化状态调变器，其中光线进入及离去表面连接不同的该第一及第二液晶装置，其中该第一及第二液晶装置是以具有双折射性特征的液晶材料构建而成，且其中该液晶材料的离轴双折射性效应对一系统特征视角范围有所贡献，且另包含：
一输入偏光板，处于该输入偏极化状态并携载该第一及第二透视图像的光经由该输入偏光板离开，以投射于该光线入口表面；
一输出偏光板，在不同的该第一及第二子图框期间接收处于该第一及第二输出偏极化状态的影像携载偏极化光；以及
一双折射补偿器，位于该输入与输出偏光板之间，以至少部分地偏移该离轴双折射性效应而产生一宽于该特征系统视角范围的系统视角范围。
11.如申请专利范围第10项的光学偏极化状态调变器，其中该双折射补偿器包含一C型补偿器。
12.如申请专利范围第11项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及该第二液晶装置的类型是电场控制双折射型。
13.如申请专利范围第11项的光学偏极化状态调变器，其中该输入偏光板及该输出偏光板分别具有彼此呈横切关系的一输入滤光镜传输偏极化轴以及一输出滤光镜传输偏极化轴，且其中该C型补偿器是位于该光线离去表面与该输出偏光板之间。
14.如申请专利范围第13项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及该第二液晶装置的类型是电控制双折射型。
15.如申请专利范围第10项的光学偏极化状态调变器，其中该双折射补偿器包含分别具有横切排列的第一及第二慢轴的第一及第二双轴双折射层。
16.如申请专利范围第15项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及第二液晶装置的类型是垂直向列型。
17.如申请专利范围第15项的光学偏极化状态调变器，其中该输入偏光板及该输出偏光板分别具有彼此呈横切关系的一输入滤光镜传输偏极化轴以及一输出滤光镜传输偏极化轴，且其中该第一及第二液晶装置是位于该第一及第二双轴双折射层之间。
18.如申请专利范围第17项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及第二液晶装置的类型是垂直向列型。
19.如申请专利范围第1项的光学偏极化状态调变器，其中光线进入及离去表面是连接不同的该第一及第二液晶装置，且其中该第一及第二液晶装置是以具有双折射性特征的液晶材料构建而成，该双折射性显现对一系统特征对比度有所贡献的波长色散，且另包含：
一输入偏光板，处于该输入偏极化状态并携载该第一及第二透视图像的光经由该输入偏光板离开，以投射于该光线入口表面；
一四分之一波光学延迟器，位于相邻该光线离去表面处以将圆形偏极化授予处于该第一及第二偏极化状态的影像携载光；以及
一被动式观看译码器，包含藉由一传输媒介与该光线离去表面及该四分之一波光学延迟器分隔的第一及第二观看装置，且被组构成在不同的该第一及第二子图框期间接收处于该第一及第二输出偏极化状态的影像携载圆形偏极化光，并自该影像携载圆形偏极化光移除圆形偏极化，
该第一观看装置包含一具有一慢轴的第一四分之一波光学延迟器，并与一第一偏光板协同运作以传送该第一输出偏极化状态的光并阻隔该第二输出偏极化状态的光，该第一偏光板具有一方位相对于该第一四分的一波光学延迟器的慢轴配置的第一传输轴，
该第二观看装置包含一具有一慢轴的第二四分之一波光学延迟器，并与一第二偏光板协同运作以传送该第二输出偏极化状态的光并阻隔该第一输出偏极化状态的光，该第二偏光板具有一方位相对于该第二四分之一波光学延迟器的慢轴配置的第二传输轴，
该四分之一波光学延迟器位于相邻该光线离去表面、第一四分之一波光学延迟器、以及第二四分之一波光学延迟器处，其各自以具有波长色散特征的双折射材料构建而成，该波长色散大致匹配该液晶材料的双折射性中的波长色散，以在不同的该第一及第二子图框期间，将显现出一高于该系统特征对比度的对比度的该第一及第二透视图像呈现给该观赏者。
20.如申请专利范围第19项的光学偏极化状态调变器，另包含一C型补偿器，位于该光线离去表面与该被动式观看译码器的该第一及第二偏光板之间。
21.如申请专利范围第20项的光学偏极化状态调变器，其中该C型补偿器是接附至与该光线离去表面相邻的该四分之一波光学延迟器之上。
22.如申请专利范围第20项的光学偏极化状态调变器，其中该C型补偿器包含分别接附至该第一及第二四分之一波光学延迟器的第一及第二部分。
23.如申请专利范围第19项的光学偏极化状态调变器，另包含第一及第二双折射补偿器，分别包含于该第一及第二观看装置之中并具有不同双折射性质的特征。
24.如申请专利范围第23项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及第二双折射补偿器中的至少一双折射补偿器包含A型及C型补偿器迭层。
25.如申请专利范围第24项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及第二双折射补偿器各自均包含具有不同光学延迟数值的A型及C型补偿器迭层。
26.如申请专利范围第25项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及该第二液晶装置的类型是电控制双折射型。
27.如申请专利范围第24项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及第二双折射补偿器中的另一双折射补偿器包含一双轴双折射层。
28.如申请专利范围第27项的光学偏极化状态调变器，其中该第一及第二液晶装置的类型是垂直向列型。
29.如申请专利范围第1项的光学偏极化状态调变器，另包含：
一温度传感器，有效连接该第一及第二液晶装置以量测装置运作温度信息；
存储器储存，包含对应于该第一及第二液晶装置的分子轴向场域状态的温度相关相位偏移反应资料；以及
处理电路，有效连接该驱动电路以产生建立一半波长偏极化状态改变的第一及第二驱动信号，该处理电路存取所储存的对应至该量测装置运作温度信息的相位偏移反应数据并使得该驱动电路产生较高及较低强度位准的该第一及第二驱动信号，其在一宽广温度范围内维持对应至该半波长偏极化状态改变的一大致固定相位偏移。
30.如申请专利范围29的光学偏极化状态调变器，其中该储存的温度相关相位偏移反应数据是藉由实际的量测而产生。
31.如申请专利范围29的光学偏极化状态调变器，其中该储存的温度相关相位偏移反应数据是藉由仿真而产生。
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