CN1265474A - 一种暗态下改进的液晶结构和使用这种液晶结构的投影仪 - Google Patents

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Abstract

液晶(LC)光阀包括一个扭曲向列相LC层,液晶分子与反射镜后面板对准,由此提供改进的对比度和效率,以及减弱的暗态下柱状隔离物的可视性。本发明旨在提供一种LC结构,其特征在于在与象素边缘成直线的方向上摩擦。LC层与传统的TN光阀中的LC有相同的扭曲旋转和双折射。通过用偏振方向关于x,y,象素轴旋转扭曲角的光照射光阀,并通过会聚反射光的正交偏振成份来维持偏振控制。

Description

一种暗态下改进的液晶结构和使用这种液晶结构的投影仪
本发明涉及一种反射型液晶(LC)光阀，光阀包括一个扭曲向列相LC层，LC层的分子在反射镜后面板与象素边缘对齐的，此种结构导致对比度提高和暗态下柱状隔离物的可视性减小。
反射型光阀在投影显示中变得广泛盛行起来。这种光阀的尺寸减小，象素孔径中的损失较小，允许在尺寸上和投影系统的成本上有相应的缩小。基于扭曲向列相液晶(TNLC)层的反射型光阀，如45°扭曲或54°扭曲的模式，使得得以利用发展较好的LC技术，并且当再现黑、白或中间灰度的图象区域时，相对适中的驱动电压可以提供合理满意的光学响应；但是暗态中的图象外观存在特定的缺陷，下面将要描述。传统上上述系统采用偏振的光线照明，偏振光线的偏振方向与光阀象素的X，Y轴成一直线，即入射的e场平行或垂直于象素边缘。然后，在反射镜后面板的e场被相对于此入射方向旋转一扭曲角，如后面板上的偏振光相对于象素边缘旋转45°或54°。
后面板上的分布主要包括垂直和水平镜电极边缘，镜象素被摆成行、列形式以提供投影图象的象素。当导体，如这些象素被电磁场(E§M)照射时，电流沿其边界建立，产生散射的辐射。当边缘笔直时，散射辐射的偏振本征态与这些边缘近似成直线。如果入射的偏振光不是这些偏振态中的一种，即如果处于旋转取向，则散射光将易于被该边缘消偏振。为了通过象素电极分布避免散射的消偏振，非常希望后面板上的偏振光处于水平或垂直而非如45°或54°。此消偏作用把无用光加到暗态图象并从白色状态的图象上移去有用光。产生此散射光的象素具有与承载图象信息的衍射级相同的周期性，使得不可能通过空间滤波器除去消偏光，而如果使用激光照明光源则是可能的。
在后面板上建立LC分子取向的最通常的制造方法是通过准直层的摩擦。当通过放置在镜象素之间边界中的柱状隔离物维持光阀盒间隙时此摩擦过程产生人工制品。柱状隔离物技术的主要优点在于它提供了对盒间隙非常精确的控制；然而，不利之处在于柱状隔离物干扰附近LC的准直。由受干扰的紧挨着柱状隔离物的LC部分改变偏振的入射光将被隔离象素反射镜的低反射层大量吸收；而在非常接近柱状隔离物的区域内，受干扰的LC对被显示图象的没有多少影响。遗憾的是受干扰的LC区域在准直层摩擦方向延伸长达(～10μm)在已知的反射型TN光阀中，此摩擦方向处于与暗态内象素边缘成45°角，在反射镜的区域中产生可视的LC扰动。
本发明意在提出一种液晶结构，其中后面板在与象素边缘成直线的方向摩擦。给予LC层以与传统的TN光阀同样的扭曲旋转和双折射。偏振控制通过用偏振方向相对于x，y，象素轴旋转扭曲角的光照射光阀以及通过反射光的正交偏振成份的汇集而维持。光阀的顶端玻璃由此被在从后面板摩擦的水平或垂直方向旋转扭曲角的方向摩擦。
另外，在本发明中公开了几种在理想的偏振方向提供照明和会聚的方法：首先，光束穿过偏振分束器(PBS)或1-PBS，如PBS+氧化铅棱镜，这是一种光学装置，通过旋转而把PBS斜边涂层的P平面放置在其与光阀平面的相交和理想的照明偏振成直线的方向。
其次，可以采用倾斜的DBEF分束器，轴在基板平面内旋转理想的汇集偏振角，或旋转直角。DBEF是3M公司的产品。
第三，可以采用一个存在的光学系统，其中的光经一个偏振器倾斜入射导电光阀上，并且经一个偏移的正交偏振器会聚，而且还有一个旋转器如半波旋转器放置在彩色分色镜和线性偏振器直角。
第四，可以采用一套具有传统取向的PBS或1-PBS光学装置，其中在光学装置和光阀之间放置一个精确消色差的半波延迟器。
第五，可以在传统的定向中采用一套PBS或1-PBS光学装置，并结合一个扭曲层旋转入射光。
第六，可以在传统的定向中采用一套PBS或1-PBS光学装置，并结合一个光学有源层旋转入射偏振光。
本发明的上述实施例涉及把入射偏振光和LC结构旋转成与未旋转象素电极的水平/垂直边缘对准的取向。实施例的另一种是象素电极的边缘旋转到与LC结构对准，保持传统的取向。
下面将参考附图对本发明的各个优点和特点，以及本发明实施例的各种结构和操作进行描述。在附图中，对相同的或功能类似的元件用相同的标号。
下面通过一个例子，参考附图对本发明的优选实施例进行描述：
图1表示电极1000的x，y格栅，这些格栅是由45°或135°取向的片段组成的1002的锯齿形边缘形成；
图2a表示由45°或135°取向的边缘形成的象素电极阵列；
图2b，c，d进一步表示图2a象素电极的行和列布置；
图4表示一个实施例，其中每个电极的一个边缘轻微地倾斜，从而把反射象素从包围柱状隔离物的受扰LC处收回；
图5a和5b是本发明优选实施例的光阀结构示意图；
图6是利用已知光阀的现有投影系统，其中已知光阀可以与本发明的光阀一起使用；
图7表示优选实施例中本发明的光学结构示意图；
图8表示本发明中只有PBS立方旋转的光学结构；
图9表示投影系统中半波片的定位，本发明的光阀可以适用于该系统；
图10表示与本发明的光阀一起使用的优选光学系统；
图11表示结合了图9和图10中所示本发明实施例的特点的布置；和
图12表示本发明选用的几种把照明旋转到理想方向的方法的光学结构图；
图5a和5b是本发明优选实施例中光阀结构的示意图。图5a表示夹持在透明上基板1和下基板6之间的液晶层4。液晶分子的取向由准直层5和7决定。图5b表示图5a中所示光阀结构，即没有上基板的光阀结构内部(图5a中的1处)。反射象素电极10位于LC层4的底部。上、下基板(图5a中的1和6)之间的间隔由柱状隔离物11保持。LC分子的取向由图中的一系列箭头表示，起始于LC层4上表面的箭头2，结束于底部的箭头3。箭头从上到下的扭曲方向代表LC的扭曲。在下基板6上LC分子轴和摩擦方向与象素电极10的边缘对准，只是后面板之上的分子微倾。箭头精确地代表LC定向器伸到水平面上。入射偏振光在上基板1上平行或垂直于伸出的LC定向器。在此可以把LC中一定深度的LC定向器认为在场方向，稍稍地斜出后面板，非常光的折射率在此为最大。
在交叉的偏振器之间看，本发明的光阀中改进的暗态可以在传统光阀及本发明光阀中的象素电极的照相中显现。
为了达到理想的结构，本发明包括两类实施例。在第一类实施例中，光学装置，即偏振器相对于传统的系统旋转。在这类实施例中，液晶层相对于偏振器旋转但象素保持不变。在第二类实施例中，象素边缘结构由例如包括锯齿边缘或旋转边缘的取向而修改。
在第一优选实施例中，偏振器相对于传统的光学系统旋转。能够在理想的偏振方向照明和会聚的光学结构有数个，下面将更详细地描述。
大部分的现有光学系统采用偏振分束器(FBS)分割成象光束和入射照明光束。这类最简单的系统使用一个光阀和PBS；光阀邻近PBS的一个面，PBS以其外缘与象素格栅的x，y轴成直线的方式取向。
根据本发明的单光阀投影系统通过将PBS定向在旋转的非水平取向而获得，如同参考图7所做的详细描述。以这种方式获得理想的照明偏振光；邻近光阀的立方面的两边缘与LC的取向在光阀的整个表面对准。例如，45°扭曲的光阀可以如以往一样以水平和垂直象素轴取向，而同时邻近的PBS立方从水平方向旋转到45°的取向。为了PBS的宽度跨越光阀的对角线，PBS必须大于以往数值。应理解扭曲角可以不大于45°，光阀可以是矩形而不必是正方形，用PBS作为相应矩形棱镜。对于所有的这些结构，PBS的大小通常必定增大。
也可以在投影仪中采用类似的两个光阀和单个PBS的布置。在这种布局中，希望PBS是一种为本领域的技术人员所公知的较新类型并能够在PBS的两臂提供较高的对比度，例如是那种基于无效内全反射的PBS。这种系统在L.Li et al.的国际专利WO9807279(1998)“具有薄膜偏振分束器的高效投影显示器”，L.Li和J.Dobrowolski的国际专利WO9707418(1997)“薄膜偏振装置”，和A.E.Rosenblith发表在IBM Technical Disclosure Bulletin 12-89(1989)，p57-59中的“在宽带宽干扰涂层中作为单位指标膜的空气隔离物的利用(Useof Air Spaces as Unit-Index Films in Large BandwidthInterference Coating)”等中被公开。
利用这三种光阀的投影器需要棱镜组件用于光束的分离/合并，比简单的PBS更复杂。现有光阀的这种多元件棱镜组件通过下列程序可以转换成适于本发明光阀的布局。通常以其表面法线通过一个PBS中心的方式定位一个或多个光阀。可以通过绕此轴旋转光学系统即绕光阀表面法向旋转系统一个等于扭曲角的角度，如45°而保持光阀取向不变，把照明偏振光做成旋转到适于本发明光阀的取向。然后，再把第二和第三光阀重新定位在旋转的光学系统适当表面的前部，并且以当经旋转的光学系统的表面透射或反射时它们的图象与第一光阀的图象叠加的方式取向。这种结构等于绕表面法向旋转每个光阀，如45°，并且再在相反的方向旋转全系统45°。具体地说，光阀的旋转转动图象，然后整个系统的旋转又把图象转回到正常方向。一般地，需要增加棱镜系统的大小，使得元件宽到足以跨越光阀的对角线会聚光线。
图6表示Burstyn在1994年SID Symposium Digest ofTechnical Papers on第677页中公开的一种可以应用在本发明中的系统。该系统以45°取向，从而适应德克萨斯仪器数字微镜装置(DMD)的倾斜方向。系统采用氧化铅棱镜会合颜色。用于本发明的内全反射(TIR)棱镜62必须被PBS’S所取代。
图7表示第一实施例中本发明光学系统结构的示意图。示于图7中的结构包括一个绕轴120旋转45°的系统，该轴是光阀110的表面法线。虽然光学系统旋转，但光阀110的边缘仍保持未倾斜的取向，这在投影的图象中是理想的。从照明器中发出的一种颜色的光被分离并投入到PBS 122中对光阀124提供照明。两种剩余的照明颜色由二向色镜126分解并投入到PBS 128和130中，在那儿照射光阀110和132。从三个光阀反射的图象被x棱镜118再合并。该图象被叠加到一个公共的未倾斜方向。
光学结构可以被设计成只有PBS立方旋转，从而以图8所示的减小了投影透镜中所需的后焦距。白色照明光束3000被偏振通过例如是由EBEF膜制造的偏振镜3002。X立方3004的前表面3006被涂敷一侧四分之一波长延迟层(QWP)和绿色二向色涂层。这些涂层把绿色照明光以旋转的偏振状态反射到DBEF反射镜3002以便从反射镜反射到返回通道。然后绿色照明光被导向PBS3008，在那儿照射光阀3010。同时，红色和蓝色图象成份通过绿色二向色涂层3006，并且通过X立方3004的对角线的二向色镜分成一个第二QWP。然后被反射镜3012和3014导向PBS 3028和3030，在那儿照射光阀3024和3032。延迟透镜(未示出)使三条照明通道中的光路长度相同。虚线3022表示照明斑纹沿光束3000所必须采用的取向。绿色通道中必须采用双标记以便在由X立方合并之后被照明的区域共享适当的公共取向。
本发明的另一个实施例采用DBEF反射偏振器而非PBS分离入射光和出射光。DBEF膜有其自身的本征偏振轴。因此，如果用DBEF代替传统系统中PBS立方中的多层斜边涂层，则可以在斜平面的范围内旋转DBEF膜以将它们的通过轴放到理想的方向，如45°方向。这种DBEF膜也可以在空气中用作板偏振器。
在本发明的另一个实施例中，用倾斜照明而非分束器把入射和出射光束分开。图9是一个实例，该实例在A.E.Rosenbluth和K.C.Ho共同拥有的美国待定专利申请No.09/085,065(IBM文档号YO998054)，题为“从两个光阀出射红、绿和蓝色图象子象素并利用全反射棱镜合并的光阀投影系统”中公开，其中图示的是分束元件不是分束器。在图9中，半波片618、620被放在偏振器612、616的后面以便使该系统适用于本发明的光阀608、610，即提供45°取向的理想偏振的照明。必须对TIR棱镜614上的AR涂层进行相位控制以避免偏振交扰。
图10是与本发明的光阀一起使用的提供倾斜照明的另一优选光学系统。示于图10中的光学系统公开于1998年M.Bone et al.的Strategic Display Symposium第42页。白光被X棱镜1106分解，以倾斜的角度照射三个光阀1108a，1108b和1108c。光束最好经X棱镜1106s起偏，而且被放置在入射偏振器1104之后的半波片1102旋转到适于本发明光阀的方向，如45°取向。Bone等人的光学系统通过半波片1102以及会聚解析偏振器之后的半波片1110而改型，其中会聚解析偏振器把反射的象光束投入到S偏振器中以在X棱镜1106的上半部分合并。X立方最好用分级的二向色镜把经二向色涂层而发散传播引起的颜色阴影除去。
图11表示结合了图9和图10所示利用倾斜照明的实施例的特点的布局图。X立方4018是“两层”的类型，如图10所示。TIR反射器4040和4042用于把光束倾斜地入射到光阀上。表面4040和4042上的AR涂层中的相移必定与延迟器4044或4046联合校正偏振交扰。
图12表示另一个与本发明一起使用的把照明光束旋转的理想的角度，如45°方向的光学结构。如图所示，半波旋转器1230、1232、1234放置在传统的光学系统1222和本发明的光阀1224、1226、1228之间。每个典型的半波片有较高的精度并在每个颜色的频带内消色差，使得在照明偏振中不引入扁率。
另一种光学结构是扭曲盒，如在Maugin限内工作的扭曲LC层，可以用来代替上述的半波旋转器1230、1232、1234。
另一种结构采用电光旋转器作为旋转器1230、1232、1234。  这样有一个可以电调节双直射的优点。在用于宽带工作的光阀中，如在颜色连线的系统中，后面板的e场只沿摩擦方向对频谱中心的波长精确偏振；对于其它的波长，偏振方向以不同的方式旋转或变椭圆。这种谱变化可以通过调节施加到旋转器上的驱动电压根据被透射的颜色波段而局部地得到校正。
另外，光学有源介质可以用作旋转器1230、1232、1234。如果有源介质没有双折射(如氯酸钠晶体)，则厚度的微小变化只在方向上引起很小的改变。光阀对比度对引入的旋转的敏感度比对引入的相同幅度的扁率的敏感度小。
本发明的第二类实施例包括修改象素边缘的结构。在大多数应用中，投射图象的象素被分成行、列形式，即图象象素被均匀地沿x-y格栅铺开。通常在x和y方向的步进大小相同。传统地镜电极具有与图象象素电极匹配的正方形形状。为了将反射面积最大化，把电极放在非常接近另一个的地方。
当电极边缘取向为诸如45°和135°的角度时，尽管电极必须被在图象的x，y格栅中铺开(即在0°和90°时沿轴)，但可保持最大的反射面积。这促使在象素电极中一定程度的畸变，但这种畸变可以为象素密度很高的高分辨率的应用中所接受；在这种情况下不能看出单个象素的形状。图1表示电极1000的x，y格栅，它们是由诸如45°和135°取向的片段组成的1002的锯齿边形成的。柱状隔离物1003位于四对这些片段的相交处。
在象素非常高的情况下或在显示的图象不包含高对比度的清晰边缘，如显示的图象是自然景观的应用中可以允许电极的形状有更大的畸变。图2a表示边缘取向为45°和135°的象素电极阵列。电极2101、2201、2301为列1。柱状隔离物003放置在四对边缘的相交处。图2b，c，d进一步表示图2a象素电极的行列布局。
图3表示这种类型的另一布局。当扭曲角为45°，入射光的偏振方向为0°或90°时，图1、2、3的结构提供与照射光阀后面板的偏振光成直线的电极边缘。在扭曲角不是45°的情况下，这些结构可以调节成包括取向为54°和144°的片段。但是对于大多数目的，54°取向的后面板电场和45°电极边缘之间产生的9°失配并不重要。
因为这种不敏感性，可以在上述公开的实施例中特征边缘的取向上做小的调整。例如考虑一个基本的实施例，电极是正方形的，入射面LC和入射光的偏振方向旋转成与图象的水平和垂直轴成直线的方向夹45°，以便在后面板的偏振方向与水平和垂直轴对准。在这些实施例中，因为不需要将电极边缘精确取向于0°或90°，所以不需要电极是完美的正方形；只需要与后面板偏振方向近似成直线即可。图4表示的一个实施例，每个电极4002的一个边缘轻微地倾斜，以便从包围柱状隔离物4004的受扰LC收回反射象素。为了保持均匀性，给予所有的象素同样的面积。箭头402表示后面板的摩擦方向。包围每个柱状隔离物4004的受扰LC的区域沿摩擦方向取向，使得该区域覆盖电极4002、4008、4010和4012之间的无反射切口形区域4006。
通过关于优选实施例的描述展示了本发明，同时本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明实质和范围的前提下可以做形式和内容上的改变。

Claims (18)

1.一种用于提供改进的暗态的反射光阀，反射光阀包括：
一个透明基底；
一个具有带方向轴的液晶分子的扭曲向列相液晶层；和
一个通过扭曲向列相液晶层与透明基底分离的后面板，后面板包括具有边缘的反射电极，当方向轴伸向后面板的表面上时边缘平行或垂直于液晶层中分子的方向轴。
2.如权利要求1所述的反射光阀，其特征在于扭曲向列相液晶层中的分子通过在第一方向摩擦透明基底而取向为与反射电极的水平或垂直边缘对齐，第一方向从后面板被摩擦的水平或垂直方向旋转一扭曲角。
3.如权利要求1所述的反射光阀，其特征在于扭曲向列相液晶层中的分子和后面板电极边缘通过旋转后面板的电极边缘而取向为彼此对齐。
4.如权利要求3所述的反射光阀，其特征在于后面板电极边缘旋转成在45°和135°定向。
5.如权利要求1所述的反射光阀，其特征在于每个后面板电极的一个选定的边缘是倾斜的。
6.如权利要求1所述的反射光阀，其特征在于反射电极有锯齿形边缘。
7.一种投影系统，包括：
一种把偏振光输送到反射光阀的照明系统；
一个接收照明系统偏振光的反射光阀，反射光阀还具有一个扭曲向列相液晶层，当偏振光出射液晶层时液晶层旋转偏振光，
反射光阀还包括一个位于液晶层一侧的后面板，
后面板包括反射电极，当偏振光出射液晶层时反射电极的边缘实质上平行或垂直于旋转的偏振光。
8.如权利要求7所述的反射光阀，其特征在于照明系统包括：
一个具有旋转的立方边缘的偏振束分束器，直线定位液晶层的方向。
9.如权利要求7所述的反射光阀，其特征在于照明系统包括：
一个具有边缘在与反射光阀成预选角度方向取向的偏振分束器。
10.如权利要求9所述的反射光阀，其特征在于预选的角度大于0°。
11.如权利要求7所述的反射光阀，其特征在于投影系统包括多个反射光阀。
12.如权利要求11所述的反射光阀，其特征在于反射光阀中的一个或多个定位成反射光阀的表面法线通过偏振分束器的中心，照明系统在预选角度方向绕表面法线旋转。
13.如权利要求7所述的反射光阀，其特征在于照明系统包括：
一个分离入射和出射光束的DBEF反射偏振器，DBEF反射偏振器旋转到预定角度的方向。
14.如权利要求7所述的反射光阀，其特征在于照明系统包括：
多个分离输入和输出光束的分束元件；和
多个定位于多个分束元件和光阀之间的半波片，多个半波片用于在预定的偏振方向产生偏振照明。
15.如权利要求7所述的反射光阀，其特征在于投影系统还包括：
一个放置在照明系统和光阀之间的半波旋转器，半波旋转器用于把偏振光旋转到预定的方向。
16.如权利要求7所述的反射光阀，其特征在于投影系统还包括：
一个扭曲盒，放置在照明系统和光阀之间，扭曲盒用于把偏振光旋转到预定方向。
17.如权利要求7所述的反射光阀，其特征在于投影系统还包括：
一种光学有源介质，放置在照明系统和光阀之间，用于把偏振光旋转到预定的方向。
18.如权利要求7所述的反射光阀，其特征在于投影系统还包括：
一种具有可调双折射率的电光介质，它放置在照明系统和光阀之间，该电光介质用于把偏振光旋转到对于从照明系统接收到的每种颜色的偏振光的预定方向。
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