CN1502059A - 可切换颜色滤波器 - Google Patents

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Abstract

液晶可切换滤波器，是在三种颜色波段之间切换，且最好用于时序式彩色装置，例如投影装置、直接观看的显示装置和视频摄像机。该种滤波器与三种液晶切换层(sw1、sw2、sw3)及有关的延迟层一起，采用至少四种胆甾型滤波器(cfb1...cfr2)的圆偏振选择性反射波段。第二胆甾型滤波器(cfg1)的旋向性等于第三胆甾型滤波器(cfg2)的旋向性，但与第一和第四胆甾型滤波器(cfb2、cfr1)的旋向性相反，并且，对颜色波段的阻挡态，相应液晶切换层的光轴平行于或垂直于偏振方向。这一想法导致一种改进的、优异的色饱和，且比现有技术要求较不严格的制造公差。此外，它的优点还在于能把颜色透射波段重叠，因而改善光的效率。

Description

可切换颜色滤波器
技术领域
本发明涉及液晶可切换颜色滤波器，更具体说，是涉及采用胆甾型滤波器的圆偏振选择性反射波段的颜色滤波器，还涉及时序式彩色装置，诸如包含所述颜色滤波器的投影装置、直接观看的显示装置和视频摄像机。
背景技术
与快速成像器同步地提供基色RGB(红绿蓝)的快速切换的颜色滤波器，是时序式单板视频投影器的中心单元。该种投影器类型值得特别关注，因为它紧凑、价格低廉、且重量轻。虽然颜色滤波器产生全色图像的三种颜色成分，但成像器决定这些成分的灰度级。如果切换频率足够高，则人眼简单地综合该三种颜色成分并产生预期的混合彩色。类似地，也可以用于时序式直接观看的显示装置，并且也有基于该时序式技术的视频摄像机。后者产生该三种颜色成分的三种灰度级图像，通过计算该混合颜色成分或通过时序式投影，能够把该三种颜色的灰度级图像变换回彩色图像。
已经提出了各种颜色切换的设计。一种熟知的产生RGB颜色的方案，是机械的颜色轮。其主要缺点有，使用的颜色滤波器的光致质量下降、装置的庞大体积、和因机械不稳定而产生的抖动。
另一种熟知的方案，是叠层的延迟层/偏振器与液晶切换层的组合，其中不需要的颜色成分，由偏振器除去(吸收)。但是，这些滤波器难以制作。特别是，很难用薄的叠层的延迟层产生饱和色，再者，吸收型偏振器在强的光照下有质量下降的趋势。
第三种熟知的方案，是把叠层的胆甾型(cholesteric)液晶滤波器与液晶切换层组合使用。不需要的颜色成分不是被吸收，而是被胆甾型滤波器反射。这一改变特别有吸引力，因为投影器中存在的高光强会摧毁任何吸收型成分。此外，胆甾型滤波器呈现陡的选择性反射波段，能产生优良的色饱和。还有，胆甾型滤波器根据其胆甾型的螺旋结构，在滤波器的反射波段内产生圆偏振光，圆偏振光能够容易变换为线偏振光，不产生强度损耗。胆甾型滤波器是具有螺旋结构的向列液晶，其螺距与光的波长相近。如果用可交联的向列液晶，则能够以薄膜形式制造滤波器，该种薄膜滤波器可以容易地与非旋向性延迟层结合，形成复杂的叠层结构。
基于胆甾型滤波器和液晶切换层的减色法切换层和调制层，已经被人们知晓，并在例如下述专利公开：US patent 5,686,931(Fünfschilling等人)；J.Fünfschilling and M.Schadt，Novel LCDColor Projectors Based on Cholesteric Filters，SID InternationalSymposium，Digest of Technical Papers，XXVI，597-600(1995)；和K.Schmitt，J.Fünfschilling，M.Z.Cherkaoui and M.Schadt，FastTime-Sequential Color Switch Based on Cholesteric Filters andDHF-LCDs，EuroDisplay′99：The 19th International Display ResearchConference，Proceedings，437-440(1999)。
为了比较，还在图1画出已知的色切换层的一般结构，并在图3画出对应的已知波段调制滤波器的示意表示。该色切换层包括三层叠层的波段调制滤波器(BMF)1、3、和5，在构成每一波段调制滤波器一部分的液晶切换层的电极上，通过施加适当的电压，每一叠层都能阻挡R、G、或B基色的一种。每一种滤波器控制一相当确定的波段，各滤波器在此意义上是相互独立的。在时序式色切换层的每一切换层状态，两种颜色波段被阻挡而透射一种颜色波段。
各层独立的BMF依次叠合，是一种导致高饱和色的光学概念。它能用诸如铁电LCD的快速LCD实现。在象素对象素的基础上，还能够用它来产生真彩色投影系统。
除了这些优点，该种利用各层独立的BMF依次叠合概念的已知胆甾型色切换层，还是有缺点的。其中之一是，在实施时对LCD要求严格的制造公差。
另一个在概念上的缺点，是它们不代表把白光分解为饱和基色的最有效途径。原因出在人类彩色感觉的特点：当人们确定产生给定色饱和度的最亮的带通滤波器时，除非色饱和度特别地高，否则得到的滤波器波段是重叠的。举例说，产生NTSC彩色的理想带通滤波器，来自白色光源的坐标，分别有透射波段400..509nm(蓝)、497..566nm(绿)、和588..700nm(红)。蓝和绿滤波器有相当大的重叠部分(497..509nm)。
但是，对独立的BMF而言，每一切换态有两种颜色波段被阻挡而一种颜色波段被透射的要求，意味着两种相邻颜色的阻挡波段必须重叠。例如，在红色周期内，在绿和蓝滤波器之间不允许有“间隙”，或者换句话说，相应滤波器的透射波段不应重叠。因此，与理想的情形比较，由于滤波器透射波段不重叠的要求，在该波长区域内有一半的光损耗了。对实际的滤波器，由于它们的滤波器特性的有限陡度，光的损耗甚至明显更大。
该种已知胆甾型色切换层，还有一种缺点，可以参考图3作出最好的解释，图上给出常规的BMF的示意表示。常规的BMF包括：两层胆甾型滤波器13和15，该两层滤波器的胆甾型螺旋有相反的旋向，而在其他方面全同。在该两层胆甾型滤波器之间，夹着两层四分之一波片(λ/4波片)17和19，及一LC切换层21。该LC切换层的作用是可旋转的半波片(λ/2波片)。图3的上部画出BMF的阻挡态。该种光学结构的一个重要特性是，组合的“λ/4波片/LC切换层/λ/4波片”的有效双折射，在BMF阻挡态时为零。在该状态下，两种其他颜色将不改变地通过，如果总的双折射为零，情况确实是这样。应当指出，偏振的改变最后将导致滤波器透射率的降低。在这方面，补偿至零双折射的精确度数，不是十分关键的。然而，任何剩余的双折射，将改变滤波器的阻挡能力，导致色饱和度的降低。这一点对LC切换单元的光学延迟Δnd(Δn是LC材料的双折射，d是单元间隙)施加严格的公差。此外，一些铁电LC切换单元(如DHF LC切换单元)有内在的Δn变化，导致在BMF的阻挡态中明显(3..5％)的剩余透射率。
发明内容
因此，本发明的一个目的，是提供一种可切换的颜色滤波器，它能克服上述的缺点。
本发明提供一种液晶可切换颜色滤波器，用于第一、第二、和第三颜色波段之间的切换，该可切换颜色滤波器包括第一可切换液晶单元、对该第一颜色波段是四分之一波片的第一延迟层、对该第一颜色波段有选择性反射波段的第一胆甾型滤波器、对该第二颜色波段有选择性反射波段的第二胆甾型滤波器、对该第二颜色波段是四分之一波片的第二延迟层、第二可切换液晶单元、对该第二颜色波段是四分之一波片的第三延迟层、对该第二颜色波段有选择性反射波段的第三胆甾型滤波器、对该第三颜色波段有选择性反射波段的第四胆甾型滤波器、对该第三颜色波段是四分之一波片的第四延迟层、第三可切换液晶单元、最后是偏振阻挡元件，其中各可切换液晶单元至少能有两种切换状态，其中第二胆甾型滤波器的旋向性等于第三胆甾型滤波器的旋向性，而与第一和第四胆甾型滤波器的旋向性相反，又其中对各自颜色波段的阻挡态，对应的可切换液晶单元的光轴，不是基本上平行于便是基本上垂直于光偏振方向。
对该偏振阻挡元件，提供两个优选的实施例。在一个实施例中，该偏振阻挡元件由线偏振器构成。在另一个实施例中，该偏振阻挡元件由用作第三颜色波段的四分之一波片的(第五)延迟层，和对第三颜色波段有选择性反射波段的(第五)胆甾型滤波器构成。
在一个优选实施例中，在光的输入侧，增加对第一颜色波段有选择性反射波段的附加胆甾型滤波器，和对第一颜色波段是四分之一波片的附加延迟层。该实施例正好适用于非偏振输入光。另一方面，如果不用附加的胆甾型滤波器和延迟层，则输入光可以用已经线偏振化的；这种情形就是例如用偏振恢复法(polarization recovery scheme)来照明可切换颜色滤波器时的情形。已知偏振恢复法是用非吸收偏振器，把非偏振光分解为两束不同偏振的光，然后把一束的偏振变换成另一束的偏振，并把它们组合成单一的光束-例如见US patent5,235,443。
还有一些实施例利用本发明的有利特性，该特性能使胆甾型滤波器具有重叠的波段。最好是，第二胆甾型滤波器的短波长截止，不同于第三胆甾型滤波器的短波长截止。最好是，第一胆甾型滤波器的长波长截止，和第三胆甾型滤波器的短波长截止，是在基本上相等的波长上，该波长短于第二胆甾型滤波器的短波长截止。最好是，第二胆甾型滤波器的长波长截止，不同于第三胆甾型滤波器的长波长截止。最好是，第三胆甾型滤波器的长波长截止，是在比第四胆甾型滤波器的短波长截止更长的波长上。
液晶可切换单元的作用，是充当可旋转的半波片。许多液晶装置都能执行该种光学功能，特别是DHF-、SSF-、反铁电的、无阈值反铁电的、或电分析(electroclinic)的LC单元。
本发明特别适用于时序式彩色装置；然而，它还可以作为可切换滤波器，用于其他的应用。
按照本发明的液晶可切换颜色滤波器，能够用于投影的光学装置和直接观看的光学装置。还有一种应用是基于时序式技术的彩色视频摄像机。
本发明解决了在开始时说明的现有技术装置中的问题，而且没有对其他重要参数，如高亮度，产生不利影响。
借助本发明的液晶可切换颜色滤波器，反差对Δnd变化的依赖性，有利地大大降低。这一点例如可以通过把图3与图4比较而看清楚，图3示意地画出现有技术的BMF结构，而图4画出一种按照本发明的“胆甾型滤波器/λ/4波片/LC切换层/λ/4波片/胆甾型滤波器”结构，并且当光通过该结构时，可以观察在选择性波长范围内光的偏振。非偏振入射光被第一胆甾型滤波器13圆偏振化，只有右旋(R-)圆偏振光通过该滤波器。第一λ/4波片17把该光变换为线(p-)偏振光。线偏振平面是旋转90°(上部)还是保持不变(下部)，与LC切换层21的切换状态有关。第二λ/4波片19把该光变换为R-(上部)或L-(下部)圆偏振光。按照现有技术(图3)的型式，出口处的胆甾型滤波器15反射R-偏振光，就是说，上部情况是阻挡配置，下部情况是透射配置。与之相反，本发明建议的型式，是该两层胆甾型滤波器有相等的旋向性，出口处的胆甾型滤波器23阻挡L-偏振光(图4中下部情况)并通过R-偏振光。观察LC切换层上的偏振态，我们可以看见，在示于图4的新设计的阻挡态中，线偏振平行于LC切换层的光轴，结果，Δnd中的变化对光的偏振态影响很小。相反，在图3所示的现有技术结构中，Δnd必须准确与λ/4波片的双折射匹配，这不仅对单元的间隙d施加严格的制造公差，而且要求该λ/4波片和液晶材料有相匹配的色散。当然，按照本发明，Δnd的变化在可切换滤波器中依旧存在，但类比的结果得到明亮状态(而不是黑暗状态)透射率的变化为3..5％，该变化产生的损伤远小于阻挡状态中相应的增加。
有利的是，借助本发明的液晶可切换颜色滤波器，不再有三种独立的BMF，而是单个统一体，它虽然包括延迟层和液晶切换层，其方式却不能解释为独立的BMF叠层，最好看成是“融合”的BMF。图2表明该概念，并画出与图1的独立的BMF 1、3、和5对照的“融合”BMF方框7。本概念允许自由地选择每种颜色的带宽，并控制在阻挡态中BMF(图4下部)的双折射，该双折射在现有技术中是关键的。在这方面的要点是，虽然滤波器选择性反射范围内的光被阻挡，但该范围外的光却能透射而不发生偏振变化。三种图4的独立BMF依次叠合，将产生完全不同椭圆度的椭圆偏振光，这种椭圆偏振光不能用简单的延迟层补偿。然而，本发明能实现一种结构，至少以很好的近似，使BMF在阻挡态时翻转双折射的圆偏振的符号，而在透射态时保持偏振不变。在后一情况，总的双折射或者为零，或者为一完整的波长λ。在图4中，画出零双折射的情况，图上在阻挡态时，LC单元的光轴平行于光偏振方向。把LC单元转过90°，将得到λ的延迟。而阻挡态时LC单元的光轴垂直于光偏振方向的结构，也是可行的。
与精确的应用有关，可以在光输入侧和/或光的输出侧，添加偏振器/延迟层的组合。这些成分作为成分9和11画在图1和图2。虽然胆甾型色切换层本来的作用就是偏振器，但最好能用一线偏振器，同时相应地要求延迟层与线偏振匹配。这样一种线性预偏振器，例如当用偏振重复利用法(polarization recycling scheme)来增加灯的光输出情况下，是需要的。同样，为把输出偏振与后续的成像器匹配，可以添加延迟层和可选的“净化偏振器”，以便获得高的偏振比，这对高质量投影器是必要的。
为使胆甾型滤波器的特性适应本发明的液晶可切换颜色滤波器的需要，可能需要一种比仅有一层胆甾型更复杂的胆甾型滤波器。例如，它还可以包括多于一层胆甾型层，共同起具有适当反射波段的圆偏振滤波器作用，或者，该胆甾型层的螺距可以随层厚度而变化。
对胆甾型滤波器，最好分别使用液晶聚合物和交联网络(crosslinked network)。
颜色滤波器的液晶元件，即胆甾型滤波器、延迟层、和切换层，最好用光定向技术(photo-orientation technique)来排列。在不同的已知方法中，特别适合的是那些用线性光聚合反应(LLP，linearphotopolymerisation)，有时也称光定向聚合物网络(PPN，photoorientation polymer network)的方法。这些单元的背景和制作，例如公开在：US-A-5389698、US-A-5838407、US-A-5602661、EP-A-689084、EP-A-0756193、WO-A-99/49360、WO-A-99/64924、和WO-A-00/36463中。
附图说明
现在通过举例方式，参照附图，说明本发明，附图有：
图1是简图，画出现有色切换层的一般结构；
图2是简图，对照图1独立的BMF，表明“融合”BMF的概念；
图3示意表明一种现有的波段调制滤波器；
图4按照本发明，画出一种“胆甾型滤波器/λ/4波片/LC切换层/λ/4波片/胆甾型滤波器”结构；
图5a至5c是解释用图，表明本发明第一实施例的基本配置和工作原理；
图6a至6c是解释用图，表明本发明第二实施例的基本配置和工作原理，与图5a至5c比较，作了修改；
图7是曲线图，表明一个优选实施例中三种颜色波段的透射率；
图8画出图7实施例的透射率，但带有附加的输出延迟层/偏振器组合；
图9是曲线图，表明图8实施例的透射率，但输出偏振器转过了90°；
图10画出一个实施例的透射率，该实施例包括附加的输入延迟层/偏振器组合；
图11是曲线图，表明本发明再一个实施例的透射率，该实施例适用于已经线偏振化的输入光；
图12是曲线图，表明本发明又一个实施例的透射率；
图13是色度图，表明优选实施例提供的近似于NTSC电视系统的色度图；
图14是与图11透射率对应的色度图；和
图15是与图12透射率对应的色度图。
具体实施方式
构成本发明第一实施例的液晶可切换滤波器，其基本配置和光学概念示意地画在图5a、5b、和5c。每一图对三种基色(本例中是RGB)中的一种，画出其作用模式，图5a是红色周期，图5b是绿色周期，图5c是蓝色周期。
图中，非偏振光以一对白/黑箭头表示，L-圆偏振光以单个填黑的箭头表示，R-圆偏振光以单个空心的箭头表示。从左至右的箭头的位置，表示它的颜色，范围从蓝(左侧)到红(右侧)。
滤波器包括三重“λ/4波片/LC切换层/λ/4波片”的组合，为简明起见，把“切换层”记为sw1、sw2、和sw3，而六层胆甾型滤波器记为cfb1、cfb2、cfg1、cfg2、cfr1、和cfr2。每一延迟层/切换层的组合，和每一胆甾型滤波器，都以从左向右伸延的方框表示。对每一胆甾型滤波器的选择性反射范围，在相应的方框内以填充标记，而旋向性以“+”或“-”符号表示。
在每一个图5a、5b、和5c的这些切换层中，一层处于“通”状态(画阴影线，旋向性不变)，两层处于“阻挡”状态(画交叉阴影线，旋向性改变)。这些图的差别，仅在于切换至“通”的颜色。
让我们首先讨论红色周期(对应于图5a)，红色切换层sw3“通”：而蓝色切换层sw1和绿色切换层sw2“断”。
非偏振的白光从上部落在(蓝)胆甾型滤波器cfb1上。
在蓝光谱范围，只有L-圆偏振光通过该滤波器；R-成分被反射。在绿和红光谱范围的光保持不变(即非偏振)。切换层sw1处于阻挡态，就是说，它改变光的旋向性。因为只有光谱的蓝色部分是偏振的，旋向性的变化只影响光谱的蓝色部分，把L-偏振改变为R-偏振。然后，基本上与cfb1相同的下一个胆甾型滤波器cfb2阻挡该光。绿光和红光保持非偏振。
在绿光谱范围的光，情况非常类似。该光保持非偏振，直至它落在(绿)胆甾型滤波器cfg1上，在其上，只有R-偏振光通过(注意，绿胆甾型滤波器的旋向性与蓝和红的滤波器相反)。然后，切换层sw2把偏振翻转，于是下一个胆甾型滤波器cfg2阻挡该光。
在红光谱范围的光，情况不同。在不变地通过蓝和绿滤波器部分之后，该红光被(红)胆甾型滤波器cfr1偏振化。红光的L-成分通过而R-成分被反射。切换层sw3处于“通”状态并使偏振保持它的L-状态不变。然后，光通过胆甾型滤波器cfr2，产生红的L-偏振输出光。
在绿色周期(示于图5b)则稍为复杂些，此时，绿切换层sw2处于“通”状态，同时蓝切换层sw1和红切换层sw3处于“断”状态。
对蓝的光谱范围，与红色周期比较，没有变化。同样，红色光谱范围保持非偏振，直至它到达胆甾型滤波器cfr1，只有L-成分通过，被切换层sw3改变为R-状态，然后被胆甾型滤波器cfr2阻挡。
在绿光谱范围，情况不同。在绿光不变地通过蓝滤波器部分之后，被胆甾型滤波器cfg1偏振化，只有R-成分通过。在“通”状态的绿切换层并不改变该偏振，并且该光作为R-偏振光通过下一层胆甾型滤波器cfg2。然后，红滤波器部分的切换层sw3改变该绿光的偏振态(至少在一阶近似下)，从R改变为L。因此，输出的是L-偏振的绿光。
红色滤波器部分对绿光的这种决定性影响，与现有技术使用独立波段调制滤波器的颜色切换，作用完全相反，在现有的技术中，绿光不改变地通过最后的BMF。
还可以进一步指出，对中央(绿)滤波器部分选择相反旋向性，也是本发明的重要方面。选择相同的旋向性，将产生具有相反偏振的颜色。
最后，图5c画出最困难的情况，即第一滤波器部分的颜色周期。在本实施例中，该颜色周期是蓝色周期，在该周期中，蓝色切换层sw1为“通”而绿色切换层sw2和红色切换层sw3为“断”。
红色光谱范围被阻挡的情况如图5b所示，绿色光谱范围被阻挡的情况如图5a所示。
胆甾型滤波器cfb1使蓝色光谱范围L-偏振化，然后，该蓝色光谱范围通过切换层sw1和胆甾型滤波器cfb2及cfg1，偏振没有变化。之后，切换层sw2近似地使偏振翻转为R，而切换层sw3又把它翻转回L，给出L-偏振的蓝色光输出。
这里又一次不能使用现有技术的独立波段调制滤波器概念，因为红色和绿色滤波器两部分改变蓝色光谱范围的偏振态。
本发明的第二实施例，示意地画在图6a、6b、和6c。它利用可以选择滤波器特性的有利条件，能使胆甾型滤波器的波段重叠。如上面所讨论，要有效地利用灯的光，这一点是十分重要的。
图6a、6b、和6c中的箭头及其他符号，意义与图5的相同。
与图5实施例比较，图6的实施例有两处相关的改变：在红色部分，绿滤波器的长波长截止，是在比红滤波器的短波长截止更长的波长上，就是说，阻挡范围重叠，以便获得某一确定波段能被完全阻挡所需的结果。虽然这一特性也可以用已知的独立的BMF概念获得，但是绿/蓝边界是不同的。该两层蓝的和该两层绿的胆甾型滤波器，有不同的选择性反射波段。用讨论图5时相同的论证，人们从图6a发现，胆甾型滤波器cfb1的长波长截止与胆甾型滤波器cfg1的短波长截止一起，决定透射的蓝光的长波长截止。还有，人们从图6b可以发现，胆甾型滤波器cfb2的长波长截止与胆甾型滤波器cfg2的短波长截止一起，决定透射的蓝光的短波长截止。由于这些截止波长可以自由选择，所以能够方便地实现任何需要的带通特性。
上面参照图5和图6说明的设计概念是有用的，并产生质量非常好的可切换滤波器。然而，所有切换层对一切波长都是λ/2波片的不明显假设，确实只能是近似地真实的。因此，作为对本发明的液晶可切换滤波器的进一步改进，建议优化各成分的相对配置。要找出这样的配置，例如可以应用优化算法。
在一个成功的例子中，使用的一种算法包括，计算给定结构透射谱的例行程序，并从这些数据确定费用函数，该费用函数是对该结构质量的一种量度。在色饱和度与亮度两者都最大时，费用函数为最小。然后，优化的例行程序改变原先的结构，直至费用函数达到最小值。下面更详细地说明这种算法。
图7画出该种优化的结果，而图13给出相应的色度图。优异的亮度和几乎完美的色饱和度，可以从这些数据明显看出。因为胆甾型滤波器的截止波长是优化程序的一部分，这些数据再次说明蓝色和绿色光谱范围重叠的重要性。
示于图7的结果使用非偏振输入光，在输出端没有附加的延迟层，也没有“净化”偏振器(还可与表II比较)。图8画出用相同叠层但有附加的输出延迟层/偏振器组合的结果；它呈现与没有偏振器相近的强度，就是说，输出光已经被胆甾型滤波器独自很好地偏振化了。这一点还能从图9看出，在图9，输出偏振器被转过90°。这些光谱非常弱，直接表明高度的偏振化。但是，错误偏振的信号十分强，很可能降低后续成像器的性能，所以可能需要净化偏振器。此外，不完善(即Δnd的变化)使已知独立的依次叠合的BMF在它们断开状态下性能恶化，相同的不完善在本情况下，亦将使我们的色切换层在它接通状态下的偏振质量恶化。然而，在接通状态下偏振质量的恶化，是不大有害的；它导致的是亮度另外缩减3至5％，考虑到色切换层高的整个亮度，这是可以接受的。
在本发明的一种变型中，液晶可切换颜色滤波器还能够适用于已经线偏振化的输入光，例如用偏振重复利用法来照明可切换滤波器时，就是这种情形。事实上，在此情况下，液晶可切换滤波器可以简化：第一胆甾型滤波器以及第一λ/4波片能够省去。图11画出对应光谱的例子。它们与前一光谱有相等的亮度和饱和度(亦请见图14对应的色度图)。
同样，在本发明的又一种变型中，如果在光输出侧用能处理全部光强的偏振器的话(对高的光强，例如用偏振光束分束器)，那么，最后的胆甾型滤波器可以省去。从图5和图6可见，最后的胆甾型滤波器cfr2是用来阻挡一种红色圆偏振的。还有，从示意画出滤波器部分的主要成分的图4可见，必要的阻挡作用也能够通过紧接LC切换层之后的线偏振器达到。因此，如果胆甾型滤波器cfr2连同λ/4波片用一线偏振器取代，那么，红光谱范围的处理不用改变。无论如何，在改进本实施例的质量的同时，确认被该线偏振器吸收的剩余光谱范围(绿和蓝)尽可能小，是有利的。达到该目的的一种办法，是优化剩余成分的参数，而图12所示光谱和图15所示的色度图表明，按此办法确实能够设计一种满意的色切换层。
对于给出的例子的计算，已经用了下述条件：颜色滤波器由偏振器、延迟层、胆甾型滤波器、和液晶切换层组成。计算使用4×4矩阵的形式。对延迟层、胆甾型滤波器、和-如果有的话-SSF LC单元的双折射n，都使用相同的模型，即n(λ)＝no+n1λ2/(λ2-λ0 2)，对延迟层使用的参数在表I给出。对DHF LC单元，双折射在两种切换状态中是不同的，并取1.098 ΔnDHF和1.513ΔnDHF，这里ΔnDHF也由表I的参数给出。这些数据已经由实际的液晶混合物确定。前表面和后表面涂覆抗反射镀层，所用模型是，延迟层材料的各向同性折射率n从平均折射率线性下降至n＝1。忽略玻璃层和ITO层。
表I
参数     no     n1     λ0
延迟层no     1.205     0.324     170.9
延迟层ne     1.368     0.262     221.2
DHF no     1.205     0.324     170.9
DHF ne     1.417     0.174     246.7
在优化的例行程序中，使下述成本函数G最小：假定用白色光源(每nm带宽有相等能量)，对所有三种颜色F＝R、G、B计算三色激励响应(XF、YF、ZF、XF、yF)。在实际应用中，最好用投影系统的实际光源光谱。利用数据计算
G = Σ F = R , G , B g 1 F ( ( x F - x F 0 ) 2 + ( y F - y F 0 ) 2 + g 2 F ( Y F - Y F 0 ) 2
并用上表列出的相应参数，使G最小化。xF0和yF0表示色坐标x和y(在我们的例子中，取NTSC的色坐标)的目标值。亮度的目标值YF0由理想滤波器的亮度确定。该理想颜色滤波器在给定波段中的透射率为1，并在每一侧10nm外下降至0。尽可能宽地选取滤波器的带宽，但仍维持需要的色饱和度。注意，对某一特定的设计，计算时必须使用实际的灯的光谱。从这些理想滤波器得到的三种颜色的亮度，被用作色切换层的目标值。在我们的情况下，这些值对F＝R、G、B分别是0.12、0.25、和0.05。值YF应大于、但接近于对每一颜色能够获得的最大值。注意，由于有偏振器，最大的透射率是0.5。按人机对话方式选择加权参数g，按递归方法调整加权参数g，使优化后G中对应项的大小是相近的(在十倍之内，最好是三倍)。
如上所述，图7至12按照本发明，对可切换颜色滤波器若干实施例的三种切换状态中，列出计算的透射光谱。表II和III列举涉及的成分及它们的参数。
表II：计算图7至11所示数据时使用的参数
  编号   成分   角度/°(延迟层，LC单元)     中心波长/nm(胆甾型滤波器)   厚度/μm   图7   图8   图9   图10   图11
  1   偏振器   74°   123°
  2   ret-in   34   0.97   ×
  3   cfb1     422；455；471；498   ×   ×   ×   ×
  4   ret1，1   -12   0.942   ×   ×   ×   ×
  5   swcell1(DHF)   107.5   2.00   ×   ×   ×   ×   ×
  6   ret1，2   -12   0.942   ×   ×   ×   ×   ×
  7   cfb2     422；450；474   ×   ×   ×   ×   ×
  8   cfg1     -530；-560   ×   ×   ×   ×   ×
  9   ret2.1   75   1.25   ×   ×   ×   ×   ×
  10   swcell2(DHF)   195   2.40   ×   ×   ×   ×   ×
  11   ret2.2   75   1.25   ×   ×   ×   ×   ×
  12   cfg2     -484；-571；-551；-570   ×   ×   ×   ×   ×
  13   cfr1     591；630；660   ×   ×   ×   ×   ×
  14   ret3，1   35   1.32   ×   ×   ×   ×   ×
  15   swcell3(DHF)   155   2.90   ×   ×   ×   ×   ×
  16   ret3，2   35   1.32   ×   ×   ×   ×   ×
  17   cfr2     630；660   ×   ×   ×   ×   ×
  18   ret-out   81   1.21   ×   ×   ×   ×
  19   偏振器   39°   129°   39°   39°
表III：计算图12所示数据时使用的参数
    编号   成分   角度/°(延迟层，LC单元)   中心波长/nm(胆甾型滤波器)   厚度/μm
    1   偏振器   0
    2   swcell1(DHF)   -15   2.00
    3   ret1，2   -135   0.93
    4   cfb2   422；450；474
    5   cfg1   -530；-560
    6   ret2，1   96   1.28
    7   swcell2(DHF)   216   2.88
    8   ret2，2   75   1.28
    9   cfg2   -484；-517；-545；-570
    10   cfr1   592；610；655
    11   ret3，1   111   0.47
    12   swcell3(DHF)   231   2.08
    13   偏振器   306
表中，角度是相对于任意实验室坐标轴给出的；中心波长的符号表示旋向性；在中心波长栏给出的多于一个的数字，表示为获得需要的带宽而用多层胆甾型滤波器依次叠合(因为使用的向列宿主材料的双折射，比为获得必需的带宽而只用单一胆甾型滤波器需要的双折射小)，且给出的数字是这些亚层的选择性反射波段的中心波长；“×”表示存在该成分；最后，在偏振器一行中的数字，表示偏振器的轴的角度，没有数字则表示在叠层的该位置没有用偏振器。

Claims (17)

1.一种液晶可切换颜色滤波器，用于在第一、第二、和第三颜色波段之间切换，光路有一光输入侧和一光输出侧，该颜色滤波器包括：
第一可切换液晶单元(swcell1)，至少能有两种切换状态；
第一延迟层(ret1.2)，它对第一颜色波段起四分之一波片的作用；
第一胆甾型滤波器(cfb2)，它对第一颜色波段具有选择性的反射波段；
第二胆甾型滤波器(cfg1)，它对第二颜色波段具有选择性的反射波段；
第二延迟层(ret2.1)，它对第二颜色波段起四分之一波片的作用；
第二可切换液晶单元(swcell2)，至少能有两种切换状态；
第三延迟层(ret2.2)，它对第二颜色波段起四分之一波片的作用；
第三胆甾型滤波器(cfg2)，它对第二颜色波段具有选择性的反射波段；
第四胆甾型滤波器(cfr1)，它对第三颜色波段具有选择性的反射波段；
第四延迟层(ret3.1)，它对第三颜色波段起四分之一波片的作用；
第三可切换液晶单元(swcell3)，至少能有两种切换状态；和
偏振阻挡元件；
特征在于
第二胆甾型滤波器(cfg1)的旋向性等于第三胆甾型滤波器(cfg2)的旋向性，而与第一(cfb2)和第四(cfr1)胆甾型滤波器的旋向性相反；和
对各颜色波段的阻挡态，相应可切换液晶单元的光轴或者基本上平行于，或者基本上垂直于光偏振方向。
2.按照权利要求1的液晶可切换颜色滤波器，其中的偏振阻挡元件由线偏振器构成。
3.按照权利要求1的液晶可切换颜色滤波器，其中的偏振阻挡元件，由第五延迟层(ret3.2)和第五胆甾型滤波器(cfr2)构成，该第五延迟层对第三颜色波段起四分之一波片的作用，该第五胆甾型滤波器对第三颜色波段具有选择性的反射波段。
4.按照前面权利要求任一项的液晶可切换颜色滤波器，包括在光输入侧添加的附加胆甾型滤波器(cfb1)和附加延迟层(ret1.1)，该附加胆甾型滤波器对第一颜色波段具有选择性的反射波段，该附加延迟层对第一颜色波段起四分之一波片的作用。
5.按照前面权利要求任一项的液晶可切换颜色滤波器，其中，选择胆甾型滤波器选择性反射波段的截止波长，使第一、第二、和第三颜色波段中，至少有两种波段在它们的透射状态中重叠。
6.按照前面权利要求任一项的液晶可切换颜色滤波器，其中，第二胆甾型滤波器(cfg1)的短波长截止波长，不同于第三胆甾型滤波器(cfg2)的短波长截止波长。
7.按照前面权利要求任一项的液晶可切换颜色滤波器，其中，第一胆甾型滤波器(cfb2)的长波长截止波长，和第三胆甾型滤波器(cfg2)的短波长截止波长，是在基本上相等的波长上，该波长比第二胆甾型滤波器(cfg1)的短波长截止波长短。
8.按照前面权利要求任一项的液晶可切换颜色滤波器，其中，第二胆甾型滤波器(cfg1)的长波长截止波长，不同于第三胆甾型滤波器(cfg2)的长波长截止波长。
9.按照前面权利要求任一项的液晶可切换颜色滤波器，其中，第三胆甾型滤波器(cfg2)的长波长截止波长，是在比第四胆甾型滤波器(cfr1)的短波长截止波长更长的波长上。
10.按照前面权利要求任一项的液晶可切换颜色滤波器，其中，至少一个可切换液晶单元，是变形螺旋铁电型(DeformedHelixFerroelectric，DHF)或表面稳定化铁电型(SurfaceStabilizedFerroelectric，SSF)。
11.按照前面权利要求1至9任一项的液晶可切换颜色滤波器，其中，至少一个可切换液晶单元，是反铁电型或特别是无阈值的反铁电型。
12.按照前面权利要求1至9任一项的液晶可切换颜色滤波器，其中，至少一个可切换液晶单元，是电分析型(electroclinic)。
13.按照前面权利要求任一项的液晶可切换颜色滤波器，包括在光输出侧附加的净化偏振器。
14.一种时序式彩色装置，包含权利要求1至13中任一项所述的液晶可切换颜色滤波器。
15.一种光学投影装置，包含权利要求1至13中任一项所述的液晶可切换颜色滤波器。
16.一种直接观看的显示装置，包含权利要求1至13中任一项所述的液晶可切换颜色滤波器。
17.一种视频摄像机，包含权利要求1至13中任一项所述的液晶可切换颜色滤波器。
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