CN1661420A - 具有负双折射的微调相位延迟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微调相位延迟器，用于补偿由液晶显示屏所产生的残余双折射。本发明尤其涉及一种具有负的出平面双折射的微调相位延迟器，所述负的出平面双折射由一个形成的双折射多层电介质堆所提供，用于补偿由硅基液晶显示屏所产生的相位延迟。

Description

具有负双折射的微调相位延迟器

相关应用的交叉参考

[1]本发明主张的优先权为：2003年12月11日提交的60/529,315号美国专利申请；2004年7月14日提交的60/587,924号美国专利申请；2004年7月19日提交的60/589,167号美国专利申请，和2004年7月9日提交的60/586,542号美国专利申请，它们通过参考被结合入本申请。

发明领域

[2]本发明涉及一种光学补偿器，所述光学补偿器用于基于偏振的微显示成像仪，例如硅基液晶(LCOS)或透射型液晶显示(xLCD)屏，并且特别涉及一种具有负双折射的微调相位延迟器。

发明背景

[3]微调相位延迟器是用于补偿微显示成像仪板在暗(OFF)状态下的残余相位延迟。不同于典型的提供1/4λ或1/2λ相位延迟的双折射波片，一种典型的A-板(A-plate)微调相位延迟器提供1纳米(nm)和50nm之间的同平面(in-plane)相位延迟。把一个微调相位延迟器引入一个显示系统的主要好处是提高图像对比度，而不会明显地降低开启(ON)状态的亮度。在传统的LCOS和xLCD显示系统中，分别如图1a和1b中所示，一个或者更多的微调相位延迟器2靠近成像仪板3被定位，其对角长度通常小于一英寸，用于接收来自一个偏振光束分离器5的锥形光4，该锥形光通常具有±12°的锥形光角。

[4]在反射型LCOS成像板内的常规的热向液晶，或者是扭曲的向列，例如45°扭曲(45TN)，或者是垂直排列的向列(VAN模式)，被转换(或释放)到接近垂直定向。在反射型LCOS和透射型xLCD中的其他液晶(LC)模式，即弯曲排列的向列或聚亚酰胺单元(pi-cell)，如果LC技术在接近垂直定向时应用暗状态导向器定位，也需要微调相位延迟器。在一个反射的衬底上的一个VAN模式单元在功能上等同于一个透射模式的pi-cell，即，两者都用作控制灰度的可电子控制的双折射元件，其视角相对于一个与LC斜面正交的轴呈对称分布。

[5]在垂直排列中，LC单轴正分子被垂直于设备平面定向。依据LC的模式，暗状态可以是一个转换状态或一个释放状态。在大多数应用中，在暗状态下一个真正的垂直定向是不适当的，即，需要一个预倾斜以保证转换动作稳定且更快。此外，在暗状态下的真正的垂直定向或许是不可获得的，这是因为在45TN板上缺少高压供给，或是因为边界的LC层由于排列表面效应而被定位。结果，显示板表现出同平面(in-plane)和出平面(out-of-plane)残余相位延迟成分，即，分别为A-板成分和C-板成分。由于在LCD板中使用仅为正单轴的LC，C-板成分总是正的，因此，增加到离轴照明(off-axis illumination)处的净板相位延迟上。

[6]在典型的基于偏振的光引擎结构中，为了提供适当的光通量，成像仪板的照明透镜具有一个适当小的焦比(f/#)，即，焦距长度/虹膜直径。对于一英寸对角线长的成像仪板尺寸，典型的f/#的值为2.5，并且在空气中的锥形角大约为±12°。为了解释成像仪板和光引擎的特性，残余相位延迟补偿可以被笼统地分为两个步骤：首先，通过将一个A-板成分与成像仪板的光轴(也叫C轴)成90°的相对方位角，成像仪板的同平面相位延迟(IPR)成分被消除，然后，通过应用一个负C-板(NCP)延迟器元件来消除成像仪板的出平面相位延迟(OPR)，来改善视野。注意，由于成像仪板的IPR和微调相位延迟器的不匹配，光轴相对于标称的(nominal)十字交叉定向可能会有微小的偏离。

[7]因为缺乏真正的垂直LC定向，IPR补偿几乎总是主要的步骤。成像仪的IPR和OPR对锥形照明下的总体净相位延迟的相对贡献(contribution)之间，有明显的不匹配。例如，VAN模式板以80°至89°的倾斜度定位(典型地是80°到83°)。与设备平面平行或正交的有效e-光折射率由以下等式给出，所述等式由单轴折射率椭圆体公式(uniaxial index ellipsoid formula)获得：

$\left[8\right]---\frac{1}{{n_e}^2({\mathrm{\θ}}_c;\mathrm{in}-\mathrm{plane})}=\frac{{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_c\right)}{{n_e}^2}+\frac{{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_c\right)}{{n_o}^2},---\left(1\right)$ 和

$\left[9\right]---\frac{1}{{n_e}^2({\mathrm{\θ}}_c;\mathrm{out}-\mathrm{plane})}=\frac{{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_c\right)}{{n_o}^2}+\frac{{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_c\right)}{{n_e}^2},---\left(2\right)$

[10]其中，n_e和n_o是在给定波长下的固有的材料的非常光和寻常折射率，并且θ_c是倾斜于设备的法线方向的C-轴。在图2中示出了一个O-板，即VAN模式，的正向单轴相位延迟被分解成为两个正交的成分。取LC参数为Δn＝0.15(n_e＝1.65和n_o＝1.50)，和IPR为5nm单通道，则于θ_c＝80°和83°处(@θ_c＝80°和83°)，OPR值分别为180nm和380nm单通道，均在可以商购的VAN模式板的范围内。对于一个反射型LCOS成像仪板，全部的成像仪OPR必须包括在硅底板上的金属反射板的不需要的离轴双折射成分。对于其他重要的LC模式，即45TN模式，IPR的范围通常在15nm到25nm内，并且相关的OPR在可见光光谱范围内大约有200nm。对于任何具有IPR和OPR的成像仪板，人们可以配置OPR与IPR的比率，如

[11]γ＝Г_c/Г_a

[12]γ_(VAN)＝36x至76x或更多，取决于预倾斜度，并且

[13]γ_(45TN)＝8x至13x。

[14]参考图3，示出了一个传统的双层A/C-板相位延迟器模型，IPR成分作为cos(θ_o)的函数而下降，OPR成分作为sin²(θ_o)cos(θ_o)的函数而增加，其中，θ_o是O-光在双折射介质中的折射角。这些近似值对于一个有限的锥角是有效的，例如，在空气中达到±30°。对于一个有限的±12°锥角，在IPR上的滑离(roll-off)效应是可以忽略的；然而，来自于OPR的净相位延迟贡献是近似的。

[15]Г_c′＝Г_c(固有的)xη，其中，对于入射角(AOI)＝0°到12°，η从0到1.9％变化。

[16]假定在0°到12°的范围内，来自于OPR的平均净相位延迟贡献为1％，然后，由固有的OPR的平均倍数(γ)得到IPR值，OPR对有效相位延迟的贡献由以下公式给出，

[17]对于VAN模式，Гc′＝ηγГa≈1/100*50*Гa，或0.5Гa，和

[18]对于45TN模式，Г_c′＝ηγГ_a≈1/100*10*Г_a，或0.1Г_a。

[19]在入射角小于12°的情况下的OPR效应仅是相应的IPR相位延迟的一个部分。这些对于VAN和45TN模式的典型的相位延迟成分表明，迫切需要首先补偿IPR，然后改善显示器的视野性能。还建议，补偿一个VAN模式板内的OPR也很重要，而一个45TN模式板从NCP补偿所得到的好处要少得多。

[20]一个同平面相位延迟成分能用LCP/LPP技术制作，成形为一个A-板(平面LC导向器排列)或一个O-板(倾斜LC导向器排列)，如在审的2003年12月11日提交的60/529,315号专利申请，2004年7月14日提交的60/587,924号专利申请，2004年7月19日提交的60/589,167号专利申请中所揭示，它们通过参考结合入本申请。

[21]为了引入一个负C-板成分，在LC介质的c-轴垂直于器件平面的情况下，提出了一个密螺距胆固醇型(cholesteric)LC的平均效应。为了胆固醇型负c-板的工作，螺旋形螺距的LC介质必须比可见光波长范围内的最短的波长还要短，即，一个250nm尺寸的螺距。不幸的是，使用带同平面LC导向器的胆固醇型负c-板，由于涉及高的材料固有的双折射，可能会在一个LCOS投影系统内产生不需要的十字交叉偏振泄漏。

[22]或者，在晶体波片的区域内，可以通过将两个双折射板的光学轴十字交叉而制作一个伪零级波片相位延迟器。单独的层可以是正的双折射，例如，单晶体石英，或者是负的双折射，例如，方解石。这种排列也可以应用于制造消色差的波片，利用两个具有适当色散曲线的波片元件，即，单晶体石英与镁的氟化物。

[23]在1993年3月23日授权给Yeh等人的5,196,953号美国专利揭示了一个带有电介质的形成的双折射补偿器的透射LCD设备，其中，LCD通过产生以下条件而被补偿：

[24]|Δn_L|d_L＝|Δn_C|d_C，

[25]其中Δn是双折射率，d是层厚度，下标｀_L′和｀_C′分别指可切换的LC-层和所述电介质的形成的双折射补偿器。在一个优选的实施例中，在LC层和补偿器部件中的较低和较高的折射率n_o和n_e的值是匹配的。但是，这种方案极大地限制了电介质的形成的双折射补偿器中所使用的材料，并且需要对材料常数和涂层厚度进行准确的测量。而且，这种方法没有考虑由于来自空气/衬底界面的离轴反射所造成的相位延迟。此外，将n_o和n_e限制在LC层所要求的数值，则对于大的-C值，需要非常厚的涂层。

[26]传统的抗反射涂层设计，如1949年8月9日以Gaiser的名义授权的美国专利2,478,385,1965年5月25日以Thelen的名义授权的3,185,020号美国专利，和1971年9月14日以Louderback等人的名义授权的3,604,784号专利，都包括了三层，引起了在反射光和折射光之间的破坏性的干涉，该反射光和折射光存在于一个由中心波长定义的给定的波长带中。第一层具有的光学厚度为中心波长的四分之一，以及具有一个较低的折射率；第二层具有的光学厚度为中心波长的一半，以及具有一个高折射率；第三层具有的光学厚度为中心波长的四分之一，以及具有一个介质折射率；它们共同形成一个QHQ AR结构。

[27]抗反射涂层进展，被揭示在1969年8月26日以Bastien等人的名义授权的3,463,574号美国专利，1971年2月23日以Sulzbach的名义授权的3,565,509号美国专利，1973年12月25日以Sumita的名义授权的3,781,090号美国专利，1974年3月26日以Ikeda的名义授权的3,799,653号美国专利，1976年2月3日以Ikeda等人的名义授权的3,936,136号美国专利，1982年2月2日以Takazawa名义授权的4,313,647号美国专利，和1987年5月19日以Southwell等人名义授权的4,666,250号美国专利，这些专利涉及多层抗反射涂层，和使用Herpin等同物来设计具有所需的折射率的多层结构。

[28]本发明的一个目的是通过提供一种可预知的和具有环境稳定性的光学微调相位延迟器，来克服现有技术的缺陷，所述光学微调相位延迟器是针对透射成像板，例如，xLCD，和反射成像板，例如，LcoS，的同平面和出平面的残余相位延迟成分。

发明概述

[29]因此，本发明涉及一种偏振控制设备，用于提供所需量的相位延迟，以补偿在一个LC显示屏中的介于0纳米和1000纳米之间的预定量的出平面相位延迟，所述偏振控制装置具有出平面的寻常折射率和非常折射率，包括：

[30]一个具有一定折射率的衬底；

[31]一个设置在所述衬底上的形成的双折射多层电介质(FB)堆，所述FB堆包括一个具有第一折射率和第一光学厚度的第一多层；和一个具有第二折射率和第二光学厚度的第二多层，所述第二多层与所述第一多层交替设置，确定了有效的出平面寻常折射率和非常折射率；和

[32]第一和第二抗反射(AR)涂层，位于环境大气和所述装置之间的界面上，用于降低来自所述界面的反射量；

[33]其中，所述第一和第二光学厚度是在中心波长的1/120和1/16之间，得到一个一维光栅结构，形成了一个-C板，所述-C板用于补偿来自所述LC显示屏和来自所述AR涂层的出平面相位延迟；

[34]其中，所述第一和第二折射率的差异大于0.5，以增大有效折射率和减小所需的FB堆的宽度。

附图的简要说明

[35]通过参考代表了优选实施例的附图，本发明将得到更为详细的说明，其中：

[36]图1a是传统的LCoS显示屏组件的侧视图；

[37]图1b是传统的透射LC显示屏组件的侧视图；

[38]图2是被分解成同平面和出平面的相位延迟成分的传统的VAN-模式LC的示意图；

[39]图3是传统的A/C平板微调相位延迟器的侧视图；

[40]图4a是使用0^th阶EMT表达式所估算的折射率对(vs)n₁的工作负载循环图，假设n₁＝1.46和n₂＝2.2；

[41]图4b是使用0^th阶EMT表达式所估算的Δn对n₁的工作负载循环图，假设n₁＝1.46和n₂＝2.2；

[42]图5示出了根据本发明的一个独立的负c板(NCP)，所述独立的负c板(NCP)具有一个单个的形成的双折射抗反射(FBAR)堆；

[43]图6示出了图5的一个FB涂层；

[44]图7是一个单通道NCP相位延迟色散曲线，参考了一个标准的负单轴介质；

[45]图8是一个净相位延迟对空气中的入射角的曲线图；

[46]图9a是一个被用于双层A/C相位延迟模型中的传统的单轴材料的非常折射率曲线；

[47]图9b是一个被用于双层A/C相位延迟模型中的传统的单轴材料的寻常折射率曲线；

[48]图9c一个被用于双层A/C相位延迟模型中的传统的单轴材料的双折射色散曲线；

[49]图10是计算的相位延迟对在空气/铝反射界面处的入射角的曲线；

[50]图11示出了在一个FBAR堆中的双折射；

[51]图12是沿着和垂直于VAN-模式LcoS屏的倾斜平面的净相位延迟曲线；

[52]图13是一个FBAR堆对入射角的净相位延迟曲线；

[53]图14a示出了一个正的c-板元件和一个负的c-板元件随空气入射角的净相位延迟变化；

[54]图14b表示的是一个正的c-板元件和一个负的c-板元件随空气入射角的净相位延迟总和；

[55]图14c所示的是，当正的c-板元件和负的c-板元件的Δnd乘积相匹配时的补偿误差，所述补偿误差表现为正的c-板的相位延迟的分数形式；

[56]图15a是使用一个不带NCP元件的微调相位延迟器来进行补偿的一个LCOS设备的偏光(conoscopic)十字偏振泄漏曲线；

[57]图15b是使用一个不带NCP元件的微调相位延迟器来进行补偿的一个LCOS设备的偏光残余相位延迟曲线；

[58]图15c是一个其慢轴定向于135°的A-板微调相位延迟器的偏光模延迟曲线；

[59]图15d是一个其慢轴定向于45°的A-板微调相位延迟器的偏光模延迟曲线；

[60]图16a是根据本发明的被补偿设备的偏光泄漏曲线；

[61]图16b是根据本发明的被补偿设备的偏光残余相位延迟曲线；

[62]图16c是一个根据本发明的微调相位延迟器的偏光模延迟曲线；

[63]图16d是一个LCoS屏的偏光模延迟曲线；

[64]图17示出了反视一个被补偿设备的正倾斜度的方位；

[65]图18a是根据本发明的被补偿设备的偏光泄漏曲线；

[66]图18b是根据本发明的被补偿设备的偏光残余相位延迟曲线；

[67]图18c是根据本发明的一个微调相位延迟器的偏光模延迟曲线；

[68]图18d是一个LCoS屏的偏光模延迟曲线；

[69]图19示出了一个微调相位延迟器和一个LCoS的A-板部件与系统P-偏光器和S-分析器之间的一般关系；

[70]图20a是根据本发明的一个被补偿设备的偏光泄漏曲线；

[71]图20b是根据本发明的一个被补偿设备的偏光残余相位延迟曲线；

[72]图20c是根据本发明的一个微调相位延迟器的偏光模延迟曲线；

[73]图20d是一个LCoS屏的偏光模延迟曲线；

[74]图21是根据本发明的一个被补偿设备的残余相位延迟的偏光慢轴曲线；

[75]图22是对于各种不同的微调相位延迟器设计，对比度vs等同于FBAR的-C相位延迟的示意图；

[76]图23是一个FBAR堆的示意图，所述FBAR堆的形成的双折射堆被整合到AR涂层中；

[77]图24是一个FBAR堆的另一个实施例的示意图，所述FBAR堆的形成的双折射堆被整合到AR涂层中；

[78]图25a示出了一个FBAR堆的折射率曲线，所述FBAR堆的形成的双折射堆被整合到AR涂层中；

[79]图25b示出了一个标准的FB堆的折射率曲线；

[80]图26是对于传统的-C板微调相位延迟器和根据本发明的-C板微调相位延迟器，相位延迟对波长的示意图；

[81]图27是本发明的一个可选的实施例的侧视图，包括了两个FBAR堆；

[82]图28是本发明的一个可选的实施例的侧视图，包括了一个FBAR堆和一个位于衬底的相对面上的a-板；

[83]图29是本发明的一个可选的实施例的侧视图，包括了一个FBAR堆和一个位于衬底的同一面上的a-板；

[84]图30是本发明的一个可选的实施例的侧视图，包括了一个FBAR堆和一个a-板，所述FBAR堆和a-板位于被层迭在一起的单独的衬底上；

[85]图31是本发明的一个可选的实施例的侧视图，包括了两个FBAR堆和一个a-板，所述两个FBAR堆和a-板位于被层迭在一起的单独的衬底上；

[86]图32是本发明的一个可选的实施例的侧视图，包括了一个FBAR堆和两个a-板，所述FBAR堆和两个a-板位于被层迭在一起的单独的衬底上；

[87]图33是本发明的一个可选的实施例的侧视图，包括了两个FBAR堆和两个a-板，所述两个FBAR堆和a-板位于被层迭在一起的单独的衬底上；

[88]图34是三个分层的聚合体的相位延迟器的侧视图，所述层的其中一层具有一个同平面的相位延迟器轴，所述轴垂直于本图的平面；

[89]图35是本发明的一个可选的实施例的侧视图，包括了一个FBAR堆和两个具有十字交叉的c-轴的晶体平板；

[90]图36是本发明的一个可选的实施例的侧视图，包括了一个与LC显示屏相整合的FBAR堆。

发明的详细说明

[91]本发明涉及具有形成的双折射的电介质涂层的使用，其既可作为独立的装置，又可以与同平面相位延迟器整合在一起，以在有限的锥角范围内，如，±12°的锥角范围内，通过一对十字交叉的偏光器(polarizer)，使成像仪板的泄漏强度最小化。如果周期性的光学各向同性层大于分子长度，但其数值仅仅相当于工作波长的一部分，由该结构产生出各向异性，因此，负单轴等同物介质的c-轴位子层理(stratification)的方向，即，平行于该装置的法线。非常光和寻常折射率由0^th阶等同物介质理论(EMT)给出：

$\left[92\right]---n_o^2=(1-f){\left(n_1\right)}^2+f{\left(n_2\right)}^2,---\left(3\right)$ 和

$\left[93\right]---\frac{1}{n_e^2}=\frac{(1-f)}{{\left(n_1\right)}^2}+\frac{f}{{\left(n_2\right)}^2},---\left(4\right)$

[94]其中f是n2折射率层的厚度与n1/n2层对的总厚度的比值，n1和n2是典型的低和高折射率的各向同性质。在有效的ne和no的计算中，还有第二阶EMT公式，公式中包括对厚度与光波长比值。虽然如此，选取的材料(n1，n2)的比值对总体有效双折射率所产生的效果，可以被包括在用于电介质薄膜的数字2x2矩阵计算中。

[95]例如：将硅(n1＝1.46)和钽(Tantala)(n2＝2.20)电介质涂层材料加入喷洒的涂层，得到的ne和no折射率，以及双折射率(n＝ne-no)，是使用上述的0^th阶EMT公式(3)和(4)来估算的。相应ne，no和n值分别在图4a和图4b中绘出。最大的n可通过选择使两种材料层的厚度接近50∶50的比值来实现，即一个接近50％的工作负载循环，此时，no＝1.87和ne＝1.72，得到-0.15的n值。形成的双折射堆可能表现出与空气，玻璃衬底或之后的电介质层不匹配的有效的折射率。因此，形成的双折射特性(FB)堆的两个面必须被浸入抗反射(AR)涂层中，而形成一种形成的双折射特性抗反射(FBAR)堆。

[96]FBAR电介质堆可以在基于偏振的投射系统中被用作一个独立的NCP补偿器，或与其他分离的IPR补偿器结合使用。如图5所示的一个独立的FBAR微调相位延迟器，包括一个平行面的玻璃板衬底100，大约1mm厚，和一系列的交替设置的低和高折射率电介质层，例如，每种有50到110层，确定了一个形成的双折射涂层101，被置于所述玻璃衬底100的一个面上。为减少材料界面反射，AR涂层102被加在空气/形成的双折射涂层界面处，AR涂层103被加在形成的双折射涂层/玻璃衬底界面处，并且AR涂层104被加在玻璃衬底/空气界面处。AR涂层是任何电介质或聚合物的堆，作为折射率匹配层，被设置在有突然的折射率变化的界面处。低和高折射率电介质层的多层堆由至少两种材料的多层组成，其中的一种材料有一个第一折射率，另一种有第二折射率。所述多层堆中，两种或更多种不同折射率的材料中的每一种可以有相同或不相同的层数。所述多层堆可以包括多于一个的周期性的多层堆，其间插入有其它的功能性电介质设计。AR涂层本身提供一个额外的出平面相位延迟元件，在制造FBAR的总相位延迟和相位差时必须考虑在内。

[97]参考图6，所述形成的双折射多层电介质堆101包括一个第一多层1031，每一层有一个第一折射率n1和一个第一层厚d1，与一个第二多层1032交替设置，所述第二多层的每一层有一个第二折射率n2和一个第二层厚d2。当所述层厚是工作波长(例如λ＝550nm)的分数(例如1/16到1/64)时，一个一维的光栅结构形成，并且涂层堆的双折射特性产生。独立的NCP和AP/NCP微调相位延迟器，与图5中所描述的结构相似，用可变角椭圆偏振光谱法(VASE)数据收集和分析来评估，并且所得到的相位延迟对空气中AOI的曲线随后被加入标准的双层相位延迟器模式中。所述独立NCP延迟器的结果在图7中绘出，其中标准的单轴材料参数在λ＝550nm时，分别有1.65和1.50的no和ne折射率。理论和试验结果之间的差异，被加入所述两层延迟器模型，在整个所述波段上仅大约为10nm。具有非常薄的层(＜20nm)的电介质堆是通过一个非常稳定的涂层平台来实现的。对于一个结合了一个O-板IPR层和FBARNCP堆的微调相位延迟器，净相位延迟对空气中AOI的曲线的一个例子在图8中示出。由于所述O-板的倾斜，单通道净相位延迟曲线随方位视角平面而改变。沿着两个主要的平面，慢和快轴，收集VASE数据。沿着所述慢轴平面(同样也是所述倾斜平面)，延迟器表现出特有的O-板单通道曲线，以及净相位延迟随AOI的减少，作为FBARNCP元件的结果。

[98]选择所述电介质涂层材料n1和n2的层厚，以产生适当的大的双折射率，这样，整个波长的波段上的色散被最小化或被适合于系统的需要。所得到的有效的no和ne折射率可能不适合于直接与其它光学介质接触，例如空气，衬底；但是，如上所述，对折射率不匹配的修正方法是在所述多层堆的任一个面上增加AR层。根据本发明，所述成像仪板的有效离轴效应与所述微调相位延迟器的有效离轴效应相等。在一个高折射率的FBAR等同物介质中的离轴光的角展度，例如no和ne的值大约是2.0，小于在一个LC介质中所发现的典型的相应值，例如no和ne的值大约是1.5到1.65。因此，不同于现有技术，FBAR堆的双折射层长度乘积，即nd，必须大于成像仪板的LC层的相应的C-板的nd，以获得相同数量的相位差。根据本发明，FBAR C-板的相位延迟效应基准于一个具有标准折射率的参考的负单轴介质：于λ＝550nm时(@λ＝550nm)，no＝1.65和ne＝1.50，使用如图3所示的一个双层相位延迟器模型。类似地，所述成像仪板的离轴效应基准于no＝1.50和ne＝1.65的正单轴介质。所参考的双折射介质也可以加入在整个感兴趣的波长范围内的折射率和双折射色散，如图9a到图9c所示。将板的相位延迟与一个标准的单轴介质相比较有这样的附加优点，所述相位延迟是一个可测量的该层的宏观效果，而不需要获得板LC材料的常数。一个反射的LcoS的测量的相位延迟也包括金属反射器的离轴效应。空气/铝反射器界面的计算的相位延迟曲线在图10中示出。铝衬底有(0.985-6.67i)@λ＝550nm的复合折射率，并且在反射上所加入的c-板相位延迟大约是66nm。在一个典型的LCoS结构中，所述铝反射器被浸入在一个较高折射率的介质中，如LC或LC排列层。因此，发射到铝界面上的光的有效光角被减小。在硅底面处的金属反射器的离轴效应明显地减小，如铝。

[99]参见图11，FBAR堆的双折射特性如下。对于由‘s’和‘p’偏振光所组成的入射光，所述‘s’偏振光见‘no’折射率，而所述p’偏振光见有效折射率，所述有效折射率是‘no’和‘ne’折射率的函数。所述‘s’偏振光成分作为寻常光传播，而所述‘p’偏振光成分作为非常光在FBAR等同物单轴c-板中传播。所述两种光波的本征模式和本征折射率通过如下公式给出：

$\left[100\right]{---\mathrm{\σ}}_p\left(\mathrm{\θ}\right)=n_o\sqrt{1-\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}{{n_e}^2}}=n_{\mathrm{eff}}\left({\mathrm{\θ}}_c\right)\cos \left({\mathrm{\θ}}_c\right),---\left(5\right)$ 和

$\left[101\right]---{\mathrm{\σ}}_p\left(\mathrm{\θ}\right)=n_o\sqrt{1-\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{\θ}\right)}{{n_o}^2}}=n_o\cos \left({\mathrm{\θ}}_o\right),---\left(6\right)$

[102]其中，θ是在环境空气中的入射角，no和ne是FBAR堆的有效的寻常光和非常光的折射率，它们在给定波长下是常数；θ_o和θ_e是在等同物FBAR c-板中的等同的双折射角；所述寻常光的本征折射率在给定波长下是个常数，而非常光的本征折射率是θ_e的函数，而不是正向入射(normal incidence)下的微不足道的情况。甚至在从空气掠入射(gazing incidence)时，所述p-偏振光并不表现出全ne折射率，并且ne sin(θ_e)≠sin(θ)。

[103]根据本发明的一个相位延迟补偿方法的一个实施例如下所示：一个83度倾斜VAN-模式LCoS装置和一个FBAR微调相位延迟器元件的相位延迟曲线被加入到一个A/C或A/-C双层等同物相位延迟器模型。所述LCoS有一个LC层，位于康宁(Corning)1737F盖玻璃和铝衬底之间。所述玻璃面板在λ＝550nm时，标称的折射率是1.52。所述LC-层使用在λ＝550nm时，ne＝1.65和no＝1.50的标准的单轴正介质，有大约2.35μm的厚度，以提供大约4.5nm的同平面相位延迟(单通道)。空气/玻璃界面有标称的宽带AR设计。适合的结果，沿着和垂直于VANO模式倾斜平面，在图12中被绘出。所述等同物相位延迟器模型包括一个a-板和一个正c-板(PCP)层，两个层都采用标准单轴材料折射率，夹在两个AR-涂覆的Corning 1737F玻璃板之间。所述LCoS装置模式有83度均匀的LC导向器倾斜度和固有的0.15的LC双折射率。所述LCoS装置被设置，以等同于一个具有4.5nm同平面和340nm出平面相位延迟的A/C延迟器。所述同平面相位延迟是模型在正向入射时的净相位延迟。这里使用了4x4矩阵计算，包括在层界面处的干涉和反射。为补偿4.5/340nm的LcoS相位延迟成分，现有技术使用一个有大约4.5nm的同平面成分和大约340nm的出平面成分的微调相位延迟器。所述同平面成分通过使用一个a-板或o-板双折射元件获得，其慢轴与VAN-LCoS倾斜平面成直角，因而形成一个十字轴对。大约340nm的出平面成分可以通过，例如，根据本发明的FBAR的元件，来获得。所述FBAR元件可以是独立的补偿器，或形成一个全功能微调相位延迟器的一个一体化部分。其它负c-板元件，将在下面被公开，可以取代所述FBAR功能。另外，将示出现有技术的A/-C板微调相位延迟器设计不会得到最佳的光学补偿。

[104]例如，一个图5所示类型的独立式补偿器形式的FBAR元件，使用71对钽和硅层，在波长λ＝550nm时分别具有2.20和1.46的标称折射率。选择使n₁和n₂之间有大的差异，如大于0.5及优选大于0.7，以使双折射率最大化，并且使涂层厚度最小化。加有AR涂层，以减少周期性的薄层堆与空气之间的反射和与Corning 1737F玻璃之间在任一面上的反射。在所述玻璃的另一面上也有AR涂层。在图13中画出了FBAR的相位延迟曲线，该曲线的评估范围同样是±12°的空气中AOI范围。注意在圆锥角范围内，FBAR堆提供了大约-6.3nm至0nm的单通道净相位延迟，而VAN模式LCOS产生大约5.7nm到0的单通道净相位延迟。至于有效双折射率，VAN模式LCOS和FBAR堆具有Δnd乘积为：

[105]Δn_cd(LCOS)＝0.147*2350或约340nm，

[106]Δn_cd(FBAR)＝-0.147*71*40或约-415nm，

[107]其中，Δn_c是有效的出平面折射率：对于VAN模式O-板，是投射到Z-轴上的单轴投影；对于FBAR堆，是有效折射率(n_o，n_e)的差值。相应地，由于折射率n₁和n₂，得到的出平面有效折射率n_o和n_e大于LcoS板的相应的折射率，这使得角度扩展为一个e-光和一个o-光，而FBAR堆中的实际相位差小于LcoS板中的相位差。因此，相位的各向异性被减小，并且FBAR堆的厚度必须加大以在其出口处获得所需的相位差。

[108]显然，前述的FBAR的例子，以EMT有效折射率提供-415nm的c-板相位延迟，或以标准单轴材料模型提供-340nm的相位延迟，没有提供4.5/340nm的VAN模式LCOS(IPR被分别补偿)的适当的离轴补偿。根据等式(5)和(6)，对给定的离轴光线的净相位延迟，在LCOS设备中，{n_o，n_e}材料被设置为{1.50，1.65}@λ＝550nm，并且，在微调相位延迟器中，{n_o，n_e}材料被设置为{1.65，1.50}，@λ＝550nm，相加后不为零。图14a到图14c示出了在正的和负的C-板元件中的净相位延迟的总角度曲线，带有相匹配的较低的和较高的本征折射率。在这种匹配的折射率的条件下，正的和负的净相位延迟之和，在任何给定的入射角，大约偏I-n_o(LCoS)/n_o(FBAR)或-10％，相当于LCOS c-板补偿目标的一个分数。

[109]因此，为了消除一个4.5/340nm的VAN模式LCOS的残余相位延迟，微调相位延迟器中的合适的-C-板成分应该大约为-340/(n_o(LCoS)/n_o(FBAR)＝-340/1.1或-310nm。如果在微调相位延迟器补偿器中没有NCP元件，则被补偿的LCOS设备具有环形(更精确地是椭圆形)净相位延迟曲线，如图15b中所示的±12°圆锥角的范围内的曲线。相关的偏光十字交叉偏振泄漏曲线在图15a中被绘出-被称为等施干涉条纹(isogyre)的十字交叉明显地沿输入和输出的偏光器方向，其中，仅存在单模式的传播。该被补偿设备的平均圆锥对比度(假定为100％的开启级强度)不优于2000∶1。图15c中示出了偏光的A-板相位延迟，其慢轴被定向于135°，该图描述了带有极性角的弱变化。图15d中所示的VAN模式LCOS中的O-板双折射层的模延迟曲线，在双通道上具有180°的对称性。A-板微调相位延迟器和O-板LCOS设备的结合，其中，残余a-板被完全消除，得到椭圆形的偏光净相位延迟曲线。通过加入适当量的-C相位延迟成分(在本例中大约为-310nm)，视野被加大，如图16a中的偏光泄漏图所示。NCP元件带有FBAR设计，包括48对19nmH/21nmL，其中，H和L是折射率分别为2.3和1.5的钽和硅。偏光泄漏和净相位延迟(图16b)曲线为均匀低值，带有轻微的环状扰动。明显地，一个A/-C板补偿器适合于消除具有非常高的倾斜度(在本例中为83°)的VAN模式LCOS的残余相位延迟。微调相位延迟器中的NCP元件是径向对称的，其中，高倾斜度的VAN模式LCOS的PCP相位延迟接近于径向对称分布。微调相位延迟器级和LCOS级(图16c和16d)的单个的偏光模式相位延迟曲线显示出在任何给定的光线角度上的密切匹配模式的相位延迟。

[110]上述A/-C板微调相位延迟器设计的一个问题是，尽管前向补偿对比度非常高(＞25k∶1)，即使对于一个低值4.5nm的A-板相位延迟器，所述微调相位延迟器的偏离前端面的反射设置了大约2000∶1的总对比度极限。有很多减少反射的方法，即，减少A板中LCP层的Δn，如同2003年12月11日提交的在审专利申请60/529,315，2004年7月14提交的专利申请60/587,924，和2004年7月19日提交的专利申请60/589,167中所揭示的那样。一种交替设置方案是使用一个O-板相位延迟器介质来实现A-板成分。众所周知，最佳的具有倾斜面的被补偿的LC-设备要求在视锥的所有四个象限具有一个单轴介质的可兼容的出平面倾斜度[H.Seiberle，K.Schmitt和M.Schadt，“通过光配向法产生的多域LCD和光学相位延迟器合成体”，欧洲显示器学报’99，6-9页，1999年9月]。通过使用一个双级补偿器-LCOS设备，所述设备被定向为在双通道传播中大体上互相平行，该四域结构可以通过将一个O-板微调相位延迟器的倾斜面和VAN模式LCOS的倾斜面十字相交而很容易地合成。反视该被补偿设备的正倾斜度的方位如图17中所示，用于将LCOS和微调相位延迟器的A-板相位延迟成分相匹配的标称的例子。LCOS和微调相位延迟器的第一和第二通道的倾斜度可以被抵消90°或180°，只要它们以标称的90°插入并占据视锥的所有四个象限。

[111]图18a至图18d中示出了对于一个65°微调相位延迟器O-板和上述83°VAN模式LCOS的一组计算补偿结果。微调相位延迟器的出平面倾斜度65°是一个被展曲的O-板LCP相位延迟器的实际的平均倾斜度；其中，VAN模式LCOS的倾斜度可能会很高(＞80°)。即使在LCOS和微调相位延迟器的出平面倾斜度不匹配的例子中，相比前例的A/-C微调相位延迟器补偿器，该被补偿设备具有很小的劣化。在65°的倾斜度下，由LCP层所引起的C-板相位延迟的数量大约是22nm(A-板成分的5倍)，这要求大约-20nm的NCP补偿。在本例中，FBAR堆包括51对19nmH/21nmL，提供了大约为-310nm的净微调相位延迟器C-板成分。通过一个65°的LCP倾斜度，反射对比度极限被扩大到几万比一。可以看出，微调相位延迟器和LCOS级(图18c和18d)的单个偏光模延迟曲线在整个±l2°观测圆锥内仍然紧密匹配。

[112]因为LCOS和微调相位延迟器的制造误差，两个元件的同平面相位延迟的数值都可能以百分之几十的比例在各个部件中变化。一个方便的确保适当的IPR补偿的技术是对任何给定的LCOS板，都总是配合使用具有较高的同平面数值的微调相位延迟器，其中，微调相位延迟器通过将其方位角方向旋转离开十字交叉轴来使微调相位延迟器被“匹配”(‘clocked-in’)。图19中示出了微调相位延迟器和LCOS和系统P-偏光器(与X轴平行)和S-分析器(与Y轴平行)的A-板成分之间的一般关系。如果使用FBAR堆或真正的负单轴板，C-板成分在旋转方向是不变的。当微调相位延迟器在补偿LCOS时，仅有一个最佳的微调方向(相对于LCOS轴是位于135°+θ，|θ|＜22.5°)。微调相位延迟器的轴与LCOS的轴不相交，而微调相位延迟器的方位角达45°，将‘p’和‘s’平面一分为二。当微调相位延迟器的数值正好匹配LCOS相位延迟时，会出现两个方位角解：第一个使微调相位延迟器与LCOS呈十字交叉轴，而第二个使微调相位延迟器和LCOS相对于Y-轴呈镜像定位，即，一个2θ的超频角(over-clocking angle)。当LCOS轴达±45°时，这两个解合并为一。在过度补偿的例子中，两个微调相位延迟器的方位角解将45°一分为二。这个角偏移量(#1和#2解分别是δ，或者是-(2θ+δ))，随相位延迟的不匹配而增加。超频角，δ，由cos^-1[Гa(TR)/Гa(LCOS)]/2大约得出，假定在预期的方位角的相位延迟投影大约是cos²(δ)。

[113]图20a至20d中的结果示出了一个4.5/340nm VAN模式LCOS设备的例子，所述LCOS设备由一个6.5/-310nm的不匹配的-AP O/-C板微调相位延迟器来补偿。由于微调相位延迟器的A-板成分的增加，在微调相位延迟器中的PCP(大约5*6.5nm or33nm)中的相关增长要求在FBAR堆中有额外的-30nm的NCP。使用了一个包括53对19nmH/21nmL的FBAR堆。如图(20a)中所示，总偏光泄漏曲线是不均匀的。尽管如此，任何给定的在双通道中穿过微调相位延迟器/LCOS的光线的净相位延迟不再接近为零。在这个例子中，对任何给定的光线，几乎保留了9.5nm的净相位延迟，并且微调相位延迟器(TR)慢轴相对于与LCOS慢轴的十字交叉轴排列位置具有大约23°的额外偏角。幸运的是，该净相位延迟的快/慢轴非常接近于系统的‘p’和‘s’方向，从而得到可忽略的双折射效果(图21)。该6.5/-310nm微调相位延迟器的偏光模延迟不单纯是前述的4.5/-310nm O/-C微调相位延迟器的旋转版(比较图20c和18c)。非旋转对称PCP(由于LCP O-板)和旋转对称NCP(由于FBAR堆)的效应结合在一起，给出了一个如图20c所示的模延迟曲线。随后，被匹配(clocked)的微调相位延迟器/LCOS延迟器对产生出如图20(b)和21中所给出的大小和轴方位图。

[114]因此，VAN模式LCOS的出平面成分最好由FBAR堆来补偿，假定在显示系统中没有其他双折射元件产生同平面和出平面的相位延迟成分。一个最佳的微调相位延迟解决方案要求计算机优化，和/或使用整个基于偏振的投影系统来进行的反复实验，所述投影系统包括微调相位延迟器，LCOS板，偏光器，分析器，偏振光束分离器和任何其他的偏振敏感元件。

[115]在一个光学系统中，如果仅有VAN模式LCOS和一个O/-C板微调相位延迟器，周期性H/L薄层对的数目以微细NCP粒度的方式改变，以探明被补偿的成对设备相对于NCP相位延迟目标的敏感度。为相同的4.5/340nm VAN模式LCOS所设计的A/-C和O/-C板微调相位延迟器的结果如图22所示(不匹配AP补偿的例子由O/-C*标注)。很清楚，三个例子中任何一个的前向补偿对比度都同样好。在实际情况中，非常高的前向补偿对比度(大约为25k∶1)是通过一个显示系统中的一个回转泄漏机构来设置的，集合在一起作为该光学系统的基线对比度。典型地，对于基于网格PBS的投影系统可以获得6k∶1和10k∶1之间的系统基线对比度。在本例中，C-板相位延迟变化的敏感度被减轻，并且可以获得大于4000∶1的总体系统对比度(1/6k和1/25k的平行贡献和至少50k∶1的反射对比度)。

[116]因此，在上面的四个计算例中，一步一步地表现了微调相位延迟器补偿器设计。首先，提供一个现有技术的仅有A-板的微调相位延迟器，带有与VAN模式LCOS的恰好匹配的a-板相位延迟器。第二步，通过在微调相位延迟器中结合入一个新的FBAR薄膜堆来补偿视野的缺乏。第三步，通过使用一个有效慢的同平面双折射相位延迟器设计来克服反射对比度的缺乏。在第四个例子中，显示了在微调相位延迟器A-板成分实质上大于LCOS的相应成分的情况下，实际的补偿匹配。最后的例子代表了采用典型的制造误差的优选实施例。

[117]因此，如前述例子所显示：a)不需要减少实际层厚和LCOS LC层的相关(n_e，n_o)折射率；b)不需要减少在硅底面的金属反射器的光学常数；c)LCOS的c-板Δnd乘积在大小上一般不等于FBAR负C-板，或微调相位延迟器中的任何负c-板元件的C-板Δnd乘积；d)不希望，或不需要使LCOS设备的有效(n_e，n_o)折射率组与FBAR堆的相等，即，n_e(LCOS)＝n_o(NCP)和n_o(LCOS)＝n_e(NCP)的条件是多余的；以及e)不希望，或不需要，使LCOS设备的实际物理长度与FBAR堆的相等，即，d(LCOS)＝d(NCP)的条件是多余的。

[118]一个被补偿的显示系统要求最佳的等于LCOS设备和补偿器设备的离轴效应的c-板元件。尽管在这里的例子中未示出，该设计方案同样适用于其他的LCOS运行模式，如TN。预计被补偿的TN设备的总体对比度将大体上低于VAN模式的例子，主要是因为较大的同平面相位延迟成分(对TN大约为20nm，相对地，对VAN模式为＜5nm)提供了一个较低的反射对比度，以及一个不同的OFF-状态LC导向器分布(与VAN模式相比具有较低的PCP/AP比率)提供了十字交叉的偏振泄漏圆锥的较高的方位角依赖性。

[119]参照图23，本发明的实施例没有在空气/FB界面处和衬底/FB界面处沉淀常规的抗反射(AR)涂层，而是在AR涂层中加入形成的双折射堆151，总体标示为152，作为一个邻接衬底154的第一四分之一波片结构153。该形成的双折射堆151具有比衬底154更高的有效折射率。一个具有高折射率，即大于有效折射率，的半波片结构156，被设置在第一四分之一波片结构153之上，以及一个具有低折射率，即小于有效折射率和衬底的折射率，的第二四分之一波片结构157被设置在所述半波片结构156之上，以完成一个QHQ AR涂层152。

[120]不幸的是，形成的双折射堆151具有大于单个四分之一波层的二十到五十倍的相厚度，也可以以5到10个四分之一波的差值在波长范围内变化，结果使AR涂层有效的波长范围变窄。因此，在第一四分之一波，半波和/或第二四分之一波片结构153，156，和157中分别需要额外的层，来匹配形成的双折射堆151的快速变化的相位。第二四分之一波片结构157可以以对称的三层结合体来替换，例如，herpin等价物，带有交替设置的高和低折射率材料，得到一个等价的折射率，但可能具有三倍的相厚度。半波片结构156可以以一个或更多全波或多个半波片结构来替代。在第一四分之一波片结构153中还可能需要额外的层，以加在形成的双折射堆的一面或双面上，从而获得所需的折射率和相厚度。

[121]如果形成的双折射堆具有106层高折射率材料(n_H＝2.16或更高)，10nm宽，与106层低折射率材料(n_L＝1.48)，即(5nm H-10nm L-5nm H)¹⁰⁶，交替设置，等价的折射率将是n_E＝1.846。对于一种典型的玻璃衬底n_S＝1.52和一种室内空气，初始的第一四分之一波片结构可以具有n_QI＝1.50的折射率和大约92nm的厚度，并且，初始的半波片结构可以具有n_HW＝2.3的折射率和大约120nm的厚度。尽管如此，为了补偿形成的双折射堆的快速变化的相位，该半波片结构包括一个半波，并且第二四分之一波片结构包括五个四分之一波的等同结构。图24指明第二QW结构157，现已被分离成五个四分之一波片结构。这五个四分之一波片结构157，半波片结构156，和FB堆的相位调节层159，被优化以在感兴趣的波段上符合反射和相位延迟目标。所需的层数取决于它们的物理厚度，有效的Δn和所需的相位延迟量，如，对于5nm宽，有效Δn为0.15的层，有500对以上的层，以提供1000nm的相位延迟；尽管如此，仅需大约10对的层来提供10nm的相位延迟。优选的数量范围是50到110对之间的高折射率/低折射率层。

[122]图25a示出了根据本发明的一个FBAR堆的折射率曲线，与图25b中所示出的不具有AR涂层的形成的双折射堆的折射率相比较。图26示出了一个常规的-C板微调相位延迟器(其轨迹被标为“现有技术”)在整个可见光谱上的高度地可变的相位延迟，与根据本发明的微调相位延迟器(“本发明”)的相对稳定的相位延迟相比较。两组结果都被设置，以等价于折射率no＝1.65和ne＝1.50。根据0^th阶EMT公式的相位延迟曲线被绘为“EMT现有技术”轨迹。

[123]然而，独立式NCP的另一个实施例涉及将所需的相位延迟分离成两个分离的FBAR堆113和114，涂覆在一个玻璃衬底110的相对表面上，如图27所示。再次地，提供AR层111和112以减少反射。或者，形成的双折射堆可以被加入到AR涂层中，如图23和24所示。径向对称的C-板相位延迟，如一个FBAR堆所给出的，可以被线性叠加。相应地，多个涂覆在多个衬底上的FBAR堆，可以平行地层叠，没有任何相对的方位角方向限制。还有，c-板微调相位延迟器可以在反射成像仪的单面上被层叠，或设置在一个透射成像仪的一面或相对面上。

[124]通过将一个微调相位延迟器加入到一个基于偏振的显示系统中，全范围的对比度增加只有在加入IPR和OPR补偿两者的条件下才能实现。一种在聚合物IPR补偿中正在出现的趋势是在一个LPP排列层上使用一个旋转涂布的LCP；尽管如此，由于缺乏与该旋转涂覆方法相兼容的负双折射LCP堆，不允许在离轴照明处对成像仪进行全补偿。通过将FBAR堆结合到一个LCP/LPP层序列中，得到了一个全功能的A-板/负C-板(AP/NCP)微调相位延迟器，该微调相位延迟器补偿成像仪IPR并且增强显示系统的视野。该LCP/LPP结构的C成分被确定，并且在FBAR堆的最终设计中被考虑在内，以确保提供所需的补偿。

[125]在图28中示出了一个加入了一个FBAR堆的AP/NCP微调相位延迟器的优选实施例，并且包括一系列的具有交替变化的折射率的层，成为形成的双折射堆203，折射率必须与AR层201和202匹配，被设置在一个玻璃衬底200的一面上。或者，形成的双折射堆可以被加入到AR涂层，如图23和24所示。在所述玻璃衬底200的相对一面上，设有一个类似的层堆204，以提供IPR。或者，该宏观双折射元件204可以由一个LCP/LPP层序列所组成。这个或这些LCP层可以对准其LC导向器平面，或相对于衬底倾斜(即，a-板或o-板单轴结构)，只要是得到的结构具有一个同平面的相位延迟成分即可。理想地，该IPR元件204由AR堆205和206所涂覆，以减少反射。在微调相位延迟器的应用中，聚合物并不理想，例如，在高光通量显示系统中，该IPR元件可以由任何电介质材料组成。在这种情况下，该FBAR结构可以被涂覆在衬底的相对的一面上，或作为一个附加的多层电介质涂层，被涂覆在电介质的a-或o-板相位延迟元件之上。参照图29，一个形成的双折射元件213和一个IPR元件214，可以是与一个同平面的双折射体对准的正的单轴聚合物介质，即，或者是o-板结构，或者是a-板结构，被涂覆在一个衬底210的单面上。元件213和214的安排可以是相反的，以使该制造过程更加容易。优选地，该双折射元件213和214也可以由AR层211，212，215和216所涂覆，以减少界面反射。被加入到一个全功能AP/NCP微调相位延迟器中的FBAR堆213，被用来抵消来自微调相位延迟器自身，以及来自成像仪板的OPR的任何正的c-板(PCP)相位延迟成分。

[126]结合有多个FBAR堆和多个IPR元件的AP/NCP微调相位延迟器的另一个实施例如图30到33所示。这些实施例当需要多于一个的FBAR堆和多于一个的IPR时尤其有用，但是两个相位延迟器元件不能顺序地涂覆在另一个之上。在图30中，一个IPR元件300，如LPP结构上的一个LCP，和一个FBAR堆301通过环氧层302被组合在一起。该IPR元件300是一个集成的分组件，由一个玻璃衬底303，AR涂层304a和304b，和一种双折射介质305所组成。该FBAR分组件301包括了一个玻璃衬底306，AR涂层307a和307b，和一系列的折射率#1和#2交替变化的电介质层308。或者，形成的双折射堆可以被加入到AR涂层中，如图23和24所示。该层迭的微调相位延迟器结构的优点是可以混合及匹配FBAR涂覆的盖玻璃的分组件。例如，IPR元件300可以是在整个可见光波段上的通用设计，并且取决于在投影光引擎中所选择使用的颜色波段，但该FBAR分组件301可以被确定为红色，蓝色或绿色设计。由于FBAR c-板相位延迟在整个可见光波段范围上的高度色散性，可互换的FBAR分组件使得设计和组装过程更为容易。

[127]非集成的AP/NCP微调相位延迟器结构的其他变化涉及将IPR/FBAR分组件310与一个FBAR涂覆的盖玻璃311相层迭，其间设有一个粘附层312，如图31所示。该IPR/FBAR分组件310，与图28的相类似，包括一个玻璃衬底313，所述玻璃衬底313在一面上具有交替变化的电介质层堆315，在相对一面上具有一个IPR元件316。AR涂层314a，314b和314被施加在材料的界面处。该FBAR分组件311，类似于图5，包括一个玻璃衬底317，其上涂覆有一个交替变化的电介质层堆319。如通常的方式，AR涂层318a和318b被施加在材料界面处。或者，形成的双折射堆可以被加入到AR涂层中，如图23和24所示。参照图32，一个IPR分组件320和一个IPR/FBAR分组件321通过一个合适的粘附层322被层迭在一起。所述IPR分组件320包括一个涂覆有AR涂层324a和324b的玻璃衬底323，并且其上设置有一个IPR元件325。如上，所述IPR/FBAR分组件321包括一个玻璃衬底326，其一面上有一个交替变化的电介质层堆328，相对的一面有一个IPR元件329。AR涂层327a，327b和327c被施加在材料界面处。或者，形成的双折射堆可以被加入到AR涂层中，如图23和24所示。一对对称的IPR/FBAR分组件330和331如图33所示。第一IPR/FBAR分组件330包括一个玻璃衬底333，其一面上带有一个交替变化的电介质层堆335，相对的一面带有一个IPR元件336。AR涂层334a，334b和334c被施加在材料界面处。或者，形成的双折射堆可以被加入到AR涂层中，如图23和24所示。第二IPR/FBAR分组件331包括一个玻璃衬底337，其一面上带有一个交替变化的电介质层堆335，相对的一面带有一个IPR元件338。AR涂层339a，339b和339c被施加在材料界面处。或者，形成的双折射堆可以被加入到AR涂层中，如图23和24所示。上述所有分组件结构具有这样的基本结构，在一个玻璃衬底的一面或双面上带有一系列电介质或聚合物层，并且优选地包括AR功能层。

[128]非常重要的是，一个用于VAN模式和一个TN模式的LCOS成像仪的微调相位延迟器中加入了IPR和NCP两种相位延迟部件。如果IPR元件通过LCP/LPP层迭结构来实现，可以有机会通过将两个或多个a-板元件，或两个或多个o-板元件的慢轴十字交叉来实现NCP功能。通过将主要的轴十字交叉，元件的同平面相位延迟成分的差异表现为净同平面相位延迟；同平面的相位延迟成分的通用数值成为负的c-板成分；并且所有正的出平面相位延迟成分相加作为正的净c-板相位延迟。

[129]参照图34，一个聚合体相位延迟器204包括三层LCP材料2042，2043和2044，每层均与一个LPP材料薄层2041相结合。这些LCP层2042到2044的倾斜线可以是均匀的，如a-板，或者它们可以被展曲(splay)成o-板。层2042和2043可以以镜像倾斜的方式来构成，以模拟单通道中的pi-cell效应，因而具有有效的同平面相位延迟器轴，所述轴位于图平面内(LC导向器沿垂直方向的投影)。如果这些层2042和2043的倾斜线是相似的或对称的，则同平面相位延迟成分的净值正比于厚度总和(d_a+d_b)。第三LCP层2044被设置在LCP/LPP堆(即层2042和2043)之上，但有效的同平面相位延迟器轴垂直于图平面(LC导向器沿水平方向的投影)。因此，如果倾斜线具有相同的有效值，该a-板成分的净值由|d_a+d_b-d_c|*Δn(有效同平面)得出。NCP数值是(d_a+d_b)和d_c之中的较小者，被Δn(有效同平面)相乘；正的c-板成分由(d_a+d_b+d_c)*Δn(有效出平面)得出。因此，多层O-板结构不适合用来产生净NCP效应。必须使用两层或更多层的a-板元件来生成一个具有AP/NCP功能要求的微调相位延迟器。比使用多层o-板结构204更好的是，如图28中所示，可以使用一个FBAR堆来抵消得到的正的c-板成分。

[130]由FBAR堆提供的NCP是径向对称的，而对于交叉轴a-板或o-板元件并不是这样。由于出现了两个同平面相位延迟器轴，沿轴和离轴的离轴效应是非常不同的。一般来说，可以看出，相比于加有径向对称的NCP的AP/NCP微调相位延迟器，例如基于晶体的负单轴C-板，FBAR堆或双向可伸展聚合体薄膜，一个结合有十字交叉轴a-板元件的AP/NCP微调相位延迟器大约提供一半的补偿效率。由于缺乏效率，提供非聚合体IPR元件的伪零级晶片，可以更好地与一个FBAR堆集成。参照图35，两个晶体板元件404和405之间的宽度差提供了a-板成分。在微调相位延迟器的应用中，更需要一个慢的伪零级晶片，而不是一个真零级晶体波片。例如，为了在λ＝550nm时实现一个20nm的同平面相位延迟，一个单晶体石英需要有大约2μm厚，但是，所需的同平面相位延迟也可以通过将一个10μm板和一个12μm板十字相交而获得，因而提供了一个-90nm的NCP成分。为了在可见光波段光谱内获得几百nm的NCP，可以在玻璃衬底400上，与薄晶体板404和405的相对的一面加上一个FBAR堆402。对于正向透射，FBAR堆402作为一个高效的AR涂层，并且对于离轴透射，FBAR堆402在传播的两个本征模式之间引入了相对的延迟。在材料界面处提供传统的AR涂层401a，401b，403a和403b。或者，形成的双折射堆可以被加入到AR涂层中，如图23和24所示。

[131]在高性能的投影系统显示器中，对比度要求可以是几千比一。来自双折射元件的反射光线由于不完美的外部AR涂层而获得部分净相位延迟。不完美的AR涂层由于将入射的线性偏振转化成正交线性偏振成分而具有危害性，该成分与主要光束一道，通过一对十字交叉的偏光器-分析器装置而在屏幕上成像。在简单的被补偿的微显示器中，如图1a和1b所示，至少有两个多余的微调相位延迟器和显示板的AR-涂覆的表面，每个表面相向，可以通过将微调相位延迟器组件做成LCOS或xLCD的背/盖玻璃板的一部分而去除。一个集成的微调相位延迟器和LCOS显示板盖玻璃如图36所示。一个完整的AP/NCP微调相位延迟器分组件，类似于图29所示的组件，包括了设置在玻璃衬底500的一面上的一个FBAR堆502和一个聚合体或电介质IPR元件503，其间带有合适的AR涂覆层501a，501b和501c。或者，形成的双折射堆可以被加入到AR涂层中，如图23和图24中所示。该玻璃衬底500形成一个带有顶层金属反射器505的LC单元间隙506，被设置在一个硅底面(衬底)504顶部之上。

该LC单元组件的完成是通过排列层507，例如，聚合体或间接蒸发的无机层，和前面的透明导电性电极508，如氧化铟锡(ITO)，来实现的。

Claims (20)

1.一种偏振控制装置，用于提供所需量的相位延迟，以补偿在一个液晶(LC)显示屏中的介于0纳米和1000纳米之间的预先确定的量的出平面相位延迟，该液晶显示屏具有出平面(out of plane)的寻常折射率和非常折射率，所述偏振控制装置包括：

一个具有一种折射率的衬底；

一个设置在所述衬底上的形成的双折射多层电介质(FB)堆，所述FB堆包括一个具有第一折射率和第一光学厚度的第一多层；和一个具有第二折射率和第二光学厚度的第二多层，所述第二多层与所述第一多层交替设置，确定了有效的出平面寻常折射率和非常折射率；并且

第一和第二抗反射(AR)涂层，位于大气环境和所述装置之间的界面上，用于降低来自所述界面的反射量；

其中，所述第一和第二光学厚度是在中心波长的1/120到1/16之间，得到一个一维光栅结构，形成了一个用于补偿来自所述LC显示屏和来自所述AR涂层的出平面相位延迟的一个-C板；

其中，第一和第二折射率之差大于0.5，以增大有效折射率和减少所需FB堆的宽度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述FB堆的有效折射率大于所述LC显示屏的相应折射率，由此，所述FB堆的相位延迟大于所述LC显示屏的相位延迟，以提供所需的相位延迟。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一多层的每一层的第一物理厚度基本上与所述第二多层的每一层的第二物理厚度相同，以将相位延迟最大化。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述形成的双折射堆形成一个第一四分之一波片结构，其中，所述第一四分之一波片结构具有有效的折射率，和一个能够在一个波长范围内快速变化的相位；

其中，所述第一AR涂层包括：

第一二分之一波片结构，所述第一二分之一波片结构邻近所述第一四分之一波片结构，具有大于有效折射率的折射率，所述第一二分之一波片结构包括多层交替设置的高折射率和低折射率的材料，以至少部分补偿所述第一四分之一波片结构的快速变化的相位，所述第一二分之一波片结构提供了出平面相位延迟；和

第二四分之一波片结构，所述第二四分之一波片结构邻近所述第一二分之一波片结构，具有低于有效折射率的折射率，所述第二四分之一波片结构包括多层交替设置的高折射率和低折射率的材料，以至少部分补偿所述第一四分之一波片结构的快速变化的相位，所述第二四分之一波片结构提供了出平面相位延迟；

其中，所述第一四分之一波片结构，二分之一波片结构和第二四分之一波片结构组成了一个集成的抗反射涂层；和

其中来自所述第一四分之一波片结构，第一二分之一波片结构和第二四分之一波片结构的出平面相位延迟量组合起来提供所需的相位延迟量。

5.根据权利要求1所述的装置，还包括一个硅基液晶显示屏，在光线穿过时既产生同平面也产生出平面的相位延迟，包含金属反射器的离轴效应；其中，波长范围在380纳米到780纳米之间；其中，所述FB堆补偿来自LC显示屏，AR涂层和金属反射器的出平面相位延迟。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述形成的双折射堆包括10到500个第一层，和10到500个第二层。

7.根据权利要求1所述的装置，还包括一个第二双折射多层电介质堆，所述第二双折射多层电介质堆设置在所述衬底的一个相对的面上。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括一种第一双折射材料，设置在所述衬底的一个相对的面上，或设置在所述第二四分之一波片结构上，在波长范围内具有0.1纳米和50纳米之间的同平面相位延迟。

9.根据权利要求8所述的装置，还包括一个第二衬底，用于支持所述第一双折射材料，并且包括一种粘附剂，用于将所述第一双折射材料叠加到所述第一衬底上。

10.根据权利要求9所述的装置，还包括一个设置在所述第二衬底上的第二形成的双折射多层电介质堆，形成一个-C板，所述-C板在波长范围内具有0纳米和-1000纳米之间的相位延迟。

11.根据权利要求8所述的装置，还包括一个设置在第二衬底上的第二双折射材料，所述第二双折射材料在波长范围内具有0.1纳米和50纳米之间的同平面相位延迟，其中，所述第二双折射材料或所述第二衬底通过一种粘附剂被设置在所述第一衬底，所述第一双折射材料或所述第一形成的双折射堆上。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括一个设置在所述第二衬底上的第二形成的双折射多层电介质堆，形成一个-C板，所述-C板在波长范围内具有0纳米和-1000纳米之间的相位延迟。

13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一双折射材料包括一个双折射多层，所述双折射多层包括至少一层成像液晶聚合物(LCP)，和至少一层紫外定向的线性成像液晶聚合物(LPP)，所述LPP层排列于至少一个LCP层。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，一个所述LCP层的一个有效的同平面相位延迟轴垂直于其他LCP层的有效的同平面相位延迟轴，从而形成了一个-C板，所述-C板在波长范围内具有介于0纳米和-1000纳米之间的出平面相位延迟。

15.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一双折射材料包括一种或多种双折射晶体。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第一双折射材料包括具有互相垂直的同平面快轴的第一和第二双折射晶体，由此提供一个由所述第一和第二双折射晶体的同平面色散差所确定的有效同平面色散，并由此提供了在波长范围内的介于0纳米和-1000纳米之间的出平面相位延迟。

17.一个硅基液晶显示屏组件，包括：

一个硅基液晶显示屏，在光线穿过时既产生同平面，也产生出平面残余双折射；

一个A板，在380纳米到780纳米之间的波长范围内具有介于0.1纳米和50纳米之间的同平面相位延迟，确定了一个用于补偿所述液晶显示屏的同平面残余双折射的中心波长；

一个支持A板的衬底；和

一个由衬底支持的-C板，在380纳米和780纳米之间的波长范围内具有介于0纳米和-1000纳米之间的出平面相位延迟，以补偿所述液晶显示屏的出平面残余双折射，由来自空气/衬底界面的离轴反射所引起的出平面相位延迟，和由其自身和所述A板引起的出平面相位延迟；

其中，所述-C板包括第一形成的双折射多层电介质堆，所述第一形成的双折射多层电介质堆包括一个具有第一折射率和第一光学厚度的第一多层；和一个具有第二折射率和第二光学厚度的第二多层，所述第二多层与所述第一多层交替设置；

其中，所述第一和第二光学厚度小于中心波长，形成一个一维光栅结构。

18.根据权利要求17所述的组件，其特征在于，所述FB堆的有效折射率大于所述LC显示屏的相应折射率，由此，所述FB堆的相位延迟大于所述LC显示屏的相位延迟，以提供所需的相位延迟。

19.根据权利要求17所述的组件，其特征在于，所述形成的双折射堆形成一个第一四分之一波片结构，其中，所述第一四分之一波片结构具有有效的折射率，和一个能够在一个波长范围内快速变化的相位；

所述组件还包括：

第一二分之一波片结构，所述第一二分之一波片结构邻近所述第一四分之一波片结构，具有大于有效折射率的折射率，所述第一二分之一波片结构包括多层交替设置的高折射率和低折射率的材料，以至少部分补偿所述第一四分之一波片结构的快速变化的相位，所述第一二分之一波片结构提供了出平面相位延迟；和

第二四分之一波片结构，所述第二四分之一波片结构邻近所述第一二分之一波片结构，具有低于有效折射率的折射率，所述第二四分之一波片结构包括多层交替设置的高折射率和低折射率的材料，以至少部分补偿所述第一四分之一波片结构的快速变化的相位，所述第二四分之一波片结构提供了出平面相位延迟；

其中，所述第一四分之一波片结构，二分之一波片结构和第二四分之一波片结构组成了一个集成的抗反射涂层；和

其中来自所述第一四分之一波片结构，第一二分之一波片结构和第二四分之一波片结构的出平面相位延迟量组合起来提供所需的相位延迟量。

20.根据权利要求17所述的组件，其特征在于，所述A板包括一个双折射多层，所述双折射多层包括至少一个成像液晶聚合物(LCP)多层，和至少一层紫外定向的线性成像液晶聚合物(LPP)，所述LPP层排列于至少一个LCP层；并且，其中所述LCP层的其中一层的有效的同平面相位延迟轴垂直于其他LCP层的有效的同平面相位延迟轴，以提供额外的出平面补偿。

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