CN1991420A - 薄膜光学延迟器 - Google Patents

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Abstract

倾斜角沉积被用来提供具有至少一个致密的、形式双折射层的A板光学延迟器。根据一实施例，形式双折射层沉积成FBAR膜系的一部分以提供用于LCD双折射补偿的全电介质全功能A/－C板调整延迟器。有利地，该全功能A/－C板调整延迟器的致密结构提供高耐久性和/或稳定性，因此使得其非常适于在基于高光通量偏振的投影系统中提供偏振补偿。

Description

薄膜光学延迟器
相关申请的交叉引用
[01]本申请要求于2005年12月6日申请的美国临时申请号为60/742,940的优先权，在此通过参考将其全部内容合并入本发明中。
技术领域
[02]本发明通常涉及一种偏振控制，更特别地，涉及一种在偏振灵敏光学系统中提供双折射的薄膜光学延迟器。
背景技术
[03]光学延迟器通常用来改变穿过其中的偏振光的相对相位，因此，它们非常适于用在需要控制偏振的应用中。除了引起1/4和1/2波延迟来控制光的偏振外，光学延迟器也同样用来给系统中的其它光学部件提供偏振补偿。例如，光学延迟器补偿器被用来引起入射光的相位延迟以校正系统中其它光学部件引入的两种偏振光成分之间的相位差。
[04]光学延迟器的一个特别重要的应用是提供液晶显示(LCD)面板的偏振补偿，其中液晶单元的残余双折射使线性偏振光变成轻微的椭圆偏振光，并且其中光学延迟器维持线性偏振与液晶单元的双折射一致。这些通常被称作调整延迟器补偿器的补偿器已经被用来提高许多LCD系统中的系统对比度。
[05]例如，考虑图1所示的基于3-面板WGP的LCoS微显示器投影系统。该微显示器系统包括例如是高压放电灯的光源5和光棒7。光棒7均匀化光源5产生的锥形光束以确保空间均一的光分布。可选地，光棒7是用来产生线性偏振光的偏振转换光管(PCLP)。第一透镜8a将光从光棒7传到第一折叠镜9，该折叠镜9引导该光到二向色滤光器10。二向色滤光器10从残余光中分出蓝光，并引导该蓝光通过第二透镜8b与第三透镜8c，以及第二折叠镜17与第三折叠镜16，到达第一LCoS显示器面板20a。传输通过二向色滤光器10的残余光被引导通过第四透镜8d与第五透镜8e和第四折叠镜11到达第二二向色滤光器12。第二二向色滤光器12将该残余光分成绿光和红光，前者被引导到第二LCoS显示器面板20b而后者传到第三LCoS显示器面板20c。在这种情况下，每个LCoS显示器面板20a、20b、20c都是垂直对准向列(VAN)式微显示器。
[06]在到达每个LCoS显示器面板20a、20b、20c之前，入射光首先分别穿过WAG 15，14和13以及调整延迟器补偿器21a，21b和21c。每个WGP 15，14和13都是由许多平行微丝构成的偏振器/分析器，其传输具有正交与于平行微丝的方向的偏振的光并反射具有平行于微丝的方向的偏振的光(例如，如图1中所示，如果偏振器被设计成通过水平的或P-偏振光，那么微丝将垂直于图1的平面)。每个LCoS显示器面板20a、20b和20c都一个像素接一个像素地改变线偏振的入射光的偏振并将已调制的光反射回相应的WGP 15，14和13。由于每个WGP 15，14和13都相对于光传播的主要方向以大约±45°定位，所以除了用作偏振器/分析器之外，每个WGP 15，13和14也用作通过沿着垂直于入射光通路的输出光通路引导或偏转每个LCoS面板反射的光，从出射光中分出入射光的分束器。更特别地，每个WGP 15，14和13都将S偏振光反射到(例如，在接通状态通过像素旋转偏振光90°)X-立方体19。X-立方体19从三个颜色信道的每个中聚集(即会聚)图像并通过投影透镜18投影最终的图像到大屏幕(未示出)上。可选地，每个颜色信道还包括预偏振器(pre-polarizer)(未示出)和/或消光(clean-up)分析器(未示出)，例如，其可包括一个或多个WGP和/或二向色片偏振器。
[07]调整延迟器补偿器21a，21b和21c(在此将简单地称为调整延迟器)是用来提高微显示器系统的对比度性能指标的补偿元件，该性能指标另外由暗(例如，断开)状态中的LCoS面板的残余双折射限定。特别地，每个调整延迟器21a，21b和21c引入消除了相应的LCoS面板的内在双折射产生的延迟的相位延迟。这里使用的术语‘迟缓(retardance)’或‘延迟(retardation)’指的是与圆形延迟量相对的线性延迟量，除非另有所述。线性延迟是两个正交的折射率之差与光学元件的厚度的乘积。线性延迟导致两个正交的线偏振之间的相位差，其中一个偏振平行于线延迟器的非常轴取向而另一个偏振平行于线延迟器的寻常轴取向。相反，圆形延迟导致右手圆偏振光或左手圆偏振光之间的相对相位差。
[08]线性延迟可以描述成面内延迟或面外延迟。表示成光通路长度差的面内延迟指的是两个正交的面内折射率之差与光学元件的实际厚度的乘积。面外延迟指的是沿着光学元件的厚度方向(z方向)的折射率与面内的一个折射率(或面内折射率的平均值)的差与光学元件的实际厚度的乘积。锥形光束内的垂直入射光线只能看见面内延迟，然而包括倾斜光线(即，不垂直而沿着主S面和主P面)和不交轴光线(即，不垂直而偏离主S面和主P面入射)的偏轴光线同时经受面外延迟和面内延迟。值得注意地，在不重要的90°射线角的情况下，在双折射介质中观察不到面内延迟。
[09]在没有调整延迟器21a-21c的情况下，由于LCoS面板20a-20c的残余双折射作用，照明暗(断开)状态中的每个微显示器面板的P偏振的偏振光一旦被反射就被轻微地椭圆偏振化。当同时包含P分量和S分量的椭圆偏振光被传输到相应的WGP15，14，13时，S分量将被反射到X立方体从而使得暗状态光线泄露到大屏幕上并限制了投影系统的对比度。
[10]调整延迟器21a-21c的使用通过提供补偿由LCoS面板20a-20c内的残余双折射产生的延迟的面内延迟而提高了对比度级别。更特别地，调整延迟器21a-21c被定位成这样以使得它们的慢轴被配置成以正交方位角对准LCoS面板20a-20c的慢轴(称为“交叉轴”)，  它们的快轴被配置成以正交方位角对准LCoS面板20a-20c的快轴。这里所用的术语慢轴(SA)和快轴(FA)指的是当在垂直入射测量到线性延迟时的两个正交的双折射轴。值得注意地，SA和FA位置随着偏轴照明的位置而改变以及在大的入射角时颠倒SA/FS起到负的面外延迟分量的作用。
[11]由于调整延迟器21a-21c和LCoS面板20a-20c的慢轴被配置在正交方位角方向，所以对于垂直入射光线，快/慢轴的作用从调整延迟器21a-21c转到LCoS面板20a-20c。换句话说，具有特殊偏振的光线在调整延迟器21a-21c和LCoS面板20a-20c中分别被先多后少地交替延迟，或先少后多地交替延迟。对于入射偏振的净效应是为零的相对延迟，结果是没有改变的偏振(即，输出光线是非椭圆偏振的)。相应的WGP15，14，13和/或可选的净化偏振器此时抑制输出光，所以暗状态面板的光泄露并不呈现在屏幕上。由于调整延迟器21a-21c并不显著地地改变接通状态的面板的通过量，所以产生的对比度(全部接通/全部断开)非常好。
[12]每个调整延迟器21a-c的工作原理将通过参考单信道光引擎的磁心光学器件进一步在图2中说明。这些磁心光学器件包括预偏振器30，WGP31，调整延迟器32，VAN式LCoS面板33，和消光偏振器(未示出)。运行中，从前阶照明(未示出)输出的非偏振或部分偏振的光线穿过前偏振器30以获得P偏振光。该光线传输通过WGP31且其偏振消光比被提高。调整延迟器32预处理入射的P偏振光束并产生椭圆的输出。理论上，入射到处于暗(断开)状态中的LCoS面板33上的偏振光中的椭圆率被残余面板延迟消除。因此，在完成VAN-LCoS面板33和调整延迟器32的双通过之后，该反射的光线仍保持P偏振。由WAG31传输的该保持P偏振的分量被返回注入该照明系统并最终丢失。
[13]如上所述，调整延迟器32理论上提供与处于断开状态的相应LCoS面板33的面内延迟匹配的面内延迟。然而实际上由于装置厚度和材料双折射控制的制造公差以及操作偏差(温度，机械应力等等)，LCoS面板33和调整延迟器32的面内延迟在各自的部件内是倾向于变化的。结果，为了确保适当补偿，通常是在调整延迟器32中提供比LCoS面板33显示的面内延迟更高的面内延迟。例如，通常提供具有10nm面内延迟(λ＝550nm)的调整延迟器来补偿显示2nm面内延迟(λ＝550nm)的VAN式LCoS面板。本领域技术人员熟知的是，这种面内值失配通常需要调整延迟器32的光轴相对于上述的垂直交叉轴配置的偏移。换句话说，该调整延迟器通过旋转其立方角方向偏离交叉轴配置而开始工作。
[14]除了提供面内延迟，对于调整延迟器32通常也提供面外延迟来增加视场。更特别地，对于调整延迟器32通常包括补偿面内延迟的A板补偿部件和补偿面外延迟的显示负双折射的-C板补偿部件。这些全功能A/-C板调整延迟器可选地还包括0-板部件。A板是其非常轴平行于板面定位的双折射光学元件。C板是其非常轴垂直于板面(即平行于垂直入射光线的方向)定位的双折射光学元件。O-板是其非常轴(即其光轴或c轴)相对于板所在平面以一倾斜角定位的双折射光学元件。
[15]通常，调整延迟器是由被层压在抗反射(AR)涂层的玻璃衬底上的拉伸聚合物制造的。更特别地，沿受力方向(例如，XY-面内)提供比在无拉伸的Z-方向更高的折射率的二轴拉伸聚合物膜被用来提供全功能A/-C板调整延迟器(即通常是负双轴薄片的作用的结果)。不幸地，由于缺少延迟均一性以及环境可靠性的问题，拉伸聚合物膜对于许多以偏振为基础的投影系统来说是不理想的。例如，关于后者(即环境可靠性的问题)，许多微显示器投影应用中存在的高温和高光通量环境倾向于使得拉伸聚合物随着时间而变得松弛，并因此损失双折射。
[16]为了排除非均一性和可靠性问题，通过参考引用于此的美国专利申请No.20050128391提出了一种通过在透明衬底上旋涂液晶聚合物(LCP)和线性光聚合(LPP)层制造的A-板调整延迟器。LC单体的引向器通过LPP层取向，然后被交联进入聚合物基质以具有固体膜样的刚性和可靠性。随着将导电介质薄膜形式双折射(FB)膜系引入AR涂层的设计(FBAR)而解决了缺少合适的-C板元件问题。虽然这种全功能A/-C板延迟器已经被显示来使VAN式LCoS显示系统的图像对比度从数百比一提高到数千比一，然而其需要减少在高光通量投影仪应用中的有机层的使用。
[17]事实上，包括环氧树脂叠层结构的任何有机材料的存在通常是所关心的可靠性源。一种准备所有无机调整延迟器的方法是利用双折射晶体。虽然双折射晶体更耐用和/或更稳定，然而生长和抛光晶体板的成本可能非常大，特别是对于具有大约一英尺或更大对角线的微显示器。结果，对于由无机和/或电介质薄膜制造的调整延迟器的兴趣持续增加。例如，通过参考引用于此的申请于2006年11月1日的美国临时申请No.11/591,623中，Tan等人公开了一种全功能全电介质(all-dielectric)调整延迟器，其中通过横向不均一的一维光栅结构提供A板延迟，而通过上述的轴向不均一的一维FBAR光栅结构提供-C板延迟。
[18]另一种将形式双折射引入电介质材料的方法是利用倾斜角沉积，其中利用蒸发或溅射，以一角度沉积薄电介质膜，以提供多孔形式双折射层。更特别地，并且如图3中所示，这种技术利用倾斜入射蒸汽熔剂40在衬底44上实现原子掩模42并提供具有朝向蒸汽源生长的孤立材料柱46的微结构。薄膜的光学特性取决于所使用的材料，微结构的孔隙度，以及柱的取向。通常，柱的取向与入射蒸汽熔剂角度θv(从垂直方向测得的入射角)相关。虽然入射蒸汽熔剂角度θv可为0°和90°之间的任何值，然而倾向于使用高入射角(例如，大于75°)以使柱状微结构的倾角最大化。
[19]例如，在美国专利No.5,638,197中，Gunning等人公开了一种用于提高扭转向列(TN)型LCD的灰度级特性的无机薄膜‘O-板’补偿器。报道的最佳沉积角θv为76°。
[20]在美国专利No.6,097,460中，Shimizu等人公开了一种包含可用来提高TN型LCD或超扭转向列(STN)型LCD的视角特性的TiO2的相位延迟器膜。为了提供所需的范围在20nm到200nm之间的A板延迟值，使入射蒸汽熔剂的角度范围为50°到85°。
[21]在美国专利No.5,866,204和6,248,422中，Robbie和Brett描述了一种倾斜地沉积薄膜的方法，其中在第一阶段入射蒸汽熔剂的角度(从垂直方向测得的入射角)被固定在通常大于80以产生多孔的柱状微结构，且其中在第二阶段，入射蒸汽熔剂的角度接近0°，以提供致密和均匀的覆盖层。
[22]在美国专利No.7,079,209中，Nakagawa提出了一种用于增加视角和/或提高基于TN型LCD的投影系统的对比率的延迟补偿器。根据一实施例，该延迟补偿器包括通过美国专利No.5,638,197中描述的由倾斜角沉积(例如，大约76°的最佳沉积角)形成的棒状柱阵列。
[23]虽然这些参考文献通过倾斜角沉积提供形式双折射薄膜，但是上述多孔微结构对于投影系统并不是理想的。例如在许多情况下，诸如当衬底在沉积期间不旋转时，层厚以及因此的延迟均一性将变差。在所有情况下，所期望的高孔隙度将导致可靠性问题。实际上，在基于偏振的诸如电影投影仪的投影系统中所提供的高温和/或高光通量的环境中，非常多孔的微结构可能脱离支撑衬底。同样，期望多孔膜允许水分注入双折射层，从而随着湿度环境的改变而改变其延迟性。
[24]此外，多孔微结构提供的大的面内双折射使得这些结构特别不适于VAN-式反射LCD系统(例如，VAN-式LCoS投影电视)。通常，需要用于VAN-式反射LCoS系统只显示出少量的面内双折射，以减少背反射和/或提高对比度最优化的角度调谐。例如，关于后者，具有大的面内延迟(例如，超过30nm)的调整延迟器通常显示出过灵敏的调谐曲线(即，对比度等级和过调角的关系曲线)。
发明内容
[25]本发明涉及一种具有在利用倾斜角获得致密的、形式双折射层的薄膜沉积处理期间引入的面内双折射的光学延迟器。根据一实施例，该致密的、形式双折射层利用FBAR膜系沉积以提供一种具有全功能性(即A板和-C板双折射)的全电介质调整延迟器。有利地，该全功能调整延迟器的致密结构提供高耐久性和/或稳定性，因此使得其非常适于在基于高光通量偏振的投影系统中提供偏振控制。而且，面内双折射的大小适于补偿VAN式LCoS微显示器应用。
[26]根据本发明的一个方面，这里提供一种光学延迟器，包括：至少一个利用倾斜角沉积形成的致密的、形式双折射层，其中选择该至少一个致密的、形式双折射层的总厚度和倾斜角以提供用于提供偏振控制的A板延迟。
[27]根据本发明的另一方面，这里提供一种制造光学延迟器的方法，包括：利用倾斜角沉积在表面上沉积至少一个致密的、形式双折射层，其中选择该至少一个致密的、形式双折射层的总厚度和倾斜角以提供用于提供偏振控制的A板延迟。
[28]根据本发明的另一个方面，这里提供一种基于液晶显示器的投影系统，包括：光源；接收来自该光源的光并传输具有第一线性偏振轴的第一线性偏振的光的第一偏振器；光学调制该第一线性偏振光的液晶显示器面板，该液晶显示器面板具有残余双折射；接收该光学调制的光并传输具有第二线性偏振轴的第二线性偏振的光的第二偏振器；投影该第二线性偏振光到屏幕上的投影透镜；以及补偿该液晶显示器面板的残余双折射的调整延迟器，该调整延迟器包括：至少一个利用倾斜角沉积形成的致密的、形式双折射层，其中选择该至少一个致密的、形式双折射层的总厚度和倾斜角，以补偿该液晶显示器面板的残余面内双折射。
[29]根据本发明的另一个方面，这里提供一种提供偏振控制的方法，包括：提供至少一个利用倾斜角沉积形成的致密的、形式双折射层，其中选择该至少一个致密的、形式双折射层的总厚度和倾斜角以提供用于提供偏振控制的A板延迟。
[30]对于下面定义的术语，除非在权利要求书或本说明书中的其它地方给出不同的定义，将使用这些定义。
[31]术语“面内”描述的含义是平行于装置的面，诸如面内双折射，面内延迟，面内延迟器轴，等等。
[32]术语“面外”描述的含义是平行于器件的法线，诸如面外双折射，面外延迟，等等。
[33]术语“迟缓(retardation)或延迟(retardance)”的意思是指两个正交的折射率之差与光学元件的厚度的乘积。
[34]术语“面内延迟”的意思是指两个正交的面内折射率之差与光学元件的厚度的乘积。
[35]术语“面外延迟”的意思是指沿着光学元件的厚度方向(z-方向)的折射率和一个面内折射率之差与该光学元件的厚度的乘积。可替换地，该术语的意思是指沿着光学元件的厚度方向(z-方向)的折射率和面内折射率的平均值之差与该光学元件的厚度的乘积。
[36]术语“双折射”的意思是指具有多个不同的折射率。
[37]术语“单轴”的意思是指具有两个不同的折射率(例如，其中nx，ny和nz中的至少两个基本相等)。
[38]术语“偏振器”的意思是包括通常被称为“分析器”的装置。
附图说明
[39]通过下面结合附图的详细描述，本发明进一步的特征和优点将变得明显，其中：
[40]图1是现有技术的基于3-面板线栅偏振器(WGP)的硅基液晶(LCoS)投影光引擎的示意图；
[41]图2说明的是线性偏振两次穿过LCoS面板和调整延迟器的保存；
[42]图3是掠入射角沉积(GLAD)的示意图，其中利用高入射角蒸汽熔剂来提供形式双折射；
[43]图4是根据本发明一实施例的制造形式双折射薄膜的装置的示意图；
[44]图5是利用图4中所示系统的试验装置计算的对于有掩模和无掩模构造的作为径向位置的函数的入射角的曲线图；
[45]图6是对于有掩模和无掩模构造的面内延迟与径向位置关系的曲线图，其中垂直入射延迟是使用Exicor双折射量测分析系统在633nm处测量的；
[46]图7是利用图5和6计算的对于有掩模和无掩模构造的作为最大沉积角的函数的面内延迟的曲线图；
[47]图8是利用图7计算的对于无掩模构造的作为最大沉积角的函数的面内双折射的曲线图；
[48]图9是利用图7计算的对于有掩模构造的作为最大沉积角的函数的面内双折射的曲线图；
[49]图10示出了作为径向位置的函数的在633nm垂直入射的使用Exicor双折射量测分析系统测量的延迟角；
[50]图11示出了作为部分位置上的平均沉积角的函数，从图10中测得的延迟角；
[51]图12示出了作为波长的函数的红光波段AR涂层的延迟；
[52]图13是全电介质调整延迟器的示意图，其中通过致密的、形式双折射层提供A板延迟；
[53]图14是全电介质全功能A板/-C板调整延迟器的示意图，其中通过设置在玻璃衬底一侧的致密的、形式双折射层提供A板延迟，而通过设置在玻璃衬底的相反侧的交替折射率膜系提供-C板延迟；
[54]图15是全电介质全功能A板/-C板调整延迟器的示意图，其中通过设置在玻璃衬底一侧的致密的、形式双折射层提供A板延迟，而通过设置在玻璃衬底的相同侧的交替折射率提供-C板双折射；
[55]图16是全电介质全功能A板/-C板调整延迟器的示意图，其中通过致密的、形式双折射层的交替折射率膜系提供A板延迟和-C板延迟；以及
[56]图17是完整的结合有全电介质全功能A/-C板调整延迟器的显示器面板盖的示意图。
[57]需要注意的是，在所有附图中同样的附图标记表示同样的特征。
具体实施方式
[58]如上所述，倾斜沉积的薄膜涂层中的双折射主要是膜的柱状微结构的贡献，其中双折射取决于柱的形状和方向，或倾斜。柱相对于表面法线的方向通过切线法则而近似地与到达衬底的涂层材料的入射角有关。
tanψ＝0.322tanθv                                                (1)
其中Ψ是柱相对于衬底法线的角度，而θv是相对于衬底法线的沉积角度。柱的角度通常是双折射材料的z-轴方向。这种关系对于诸如TiO2，Ta2O5和ZrO2的氧化物材料已经被实验证实了。相反，SiO2已经被发现用于主要地构成各向同性膜，而Ta2O5膜则通过
tanψ＝0.322tanθv                                                (2)
更接近地近似。
[59]柱状结构产生的面内(即垂直入射)双折射和柱的角度(以及因此的沉积角)之间的试验关系已经在Ian Hodgkinson和Qi-hong Wu的名称为“Birefringent Thin Filmsand Polarizing Elements”的书中被更详细地讨论。例如，对于在40°以上的沉积角，书的作者曾经绘出了作为沉积角度的函数的Ta2O5的试验的双折射。40°以下，曲线利用模拟值外推，其中模型假定在一个部分的一个位置所有的涂层材料以相同的沉积角θv沉积。总之，它们的结果表明应该对于52°的沉积角期望获得0.04的双折射，对于43°的沉积角应该期望获得0.03的双折射，对于34°的沉积角应该期望获得0.02的双折射，对于28°的沉积角应该期望获得0.015的双折射，对于24°的沉积角应该期望获得0.01的双折射，以及对于17°的沉积角应该期望获得0.005的双折射。多孔柱状微结构被假定用于外推数据。
[60]本发明者已经试验地证实了低沉积角(例如，40°以下)产生具有小到中等的双折射的薄膜。然而，通过执行沉积而产生的薄膜并没有显示出上述的多孔柱状微结构而是充分致密的。本发明者已经发现这些充分致密薄膜的形式双折射，其是方便地用于补偿VAN式LCoS微显示器中的残余双折射的理想量，在高光通量和/或高温度环境中另人吃惊地稳定，因而使得这些膜用在基于偏振的投影系统中是非常理想的。
[61]参考图4，示出了适于沉积致密薄膜的装置的平面图。装置50，其是48”扩散泵箱涂布机，包括容纳将被沉积的材料的第一坩埚52a和第二坩埚52b，用于加热室的第一卡尔罗德(calrod)加热器54a和第二卡尔罗德加热器54b，用于监测室的温度的热电偶56，第一晶体率监测器58a和第二晶体率监测器58b，离子辅助沉积(IAD)源60，支撑衬底(或部分)70的装配台，以及可选的180°掩模80。坩埚52a/52b逆时针方向旋转，衬底70逆时针方向旋转，以及将掩模80位置固定。
[62]为了比较的目的，图4中示意性说明的装置被用于两种不同的沉积过程。在两种过程中，都将致密的薄膜插入4层AR涂层中。更特别地，该致密的薄膜(即厚Ta2O5层)是沉积在直径为21”的浮动玻璃衬底上的SiO2/Ta2O5交替膜系的一部分。在第一沉积过程中，利用掩模来最小化最大的沉积角，并使得横跨该部分的涂层厚度一致。无掩模地执行第二沉积，以获得该衬底上的最大沉积角，并因此获得理论上的最大双折射。
[63]表1中给出了这两种操作的数据。从第一、有掩模的沉积处理中获得的AR涂层被称为构造1(例如，1021-1071)，而从第二、无掩模的沉积处理中获得的AR涂层被称为构造2(例如，1021-1074)。
  1021-1071   1021-1074
  掩模   180度   无
  设计   具有厚Ta2O5层的AR   具有厚Ta2O5层的AR
  涂层速度，SiO2   7.0/sec   11.9/sec
  涂层速度，Ta2O5   2.4/sec   4.5/sec
  监测器波长   684nm   670nm
表1.用于双折射测试的操作数据
[64]在两种构造中，为了使当涂层反射率大于约5％时来自样品前后表面的激光干涉效应导致的延迟测量中的波动最小化，AR的中心为633nm，即用来测量延迟的氦氖激光器的波长。Ta2O5层的总厚度是2.95μm，而SiO2层的总厚度是0.84μm。值得引起注意的是，由于对于两种沉积过程的源沉积参数是相同的，所以无掩模的沉积速度大约是有掩模的沉积速度的两倍快。
[65]利用基于涂层系统的几何结构预测涂层厚度分布和沉积角度的程序，模式化构造1和构造2的涂层的几何结构。参考图5，图示了作为径向位置的函数的入射在衬底上的理论沉积角。值得注意的是，对于有掩模和无掩模的构造，最小角度都是一样的。由于在沉积期间，衬底或其一部分围绕其中心旋转，所以涂层厚度和沉积角度分布是旋转对称的。可替换地，衬底相对于入射蒸汽熔剂和/或具有简单平移或行星运动的掩模移动(即，其同时围绕其中心旋转并沿着轨道平移)
[66]从对于Ta2O5的沉积角θv预测柱的倾角Ψ的公式(2)被用作计算柱的倾斜的参考。更特别地，公式(2)只用作参考，因为其假定所有的原材料以相同的沉积角到达衬底，其并没有考虑到达部分位置上的材料的角度分布，并且其也没有考虑掩模的效应或有掩模和无掩模涂层之间的沉积速率差异。
[67]结果表明柱的倾斜对于无掩模涂层应该是大约6.7°的平均沉积角，和在该部分的外径处的大约13°的最大沉积角。根据前述现有技术的曲线，对于最大沉积角将导致大约0.02的面内双折射，而对于平均沉积角将导致大约0.0075的面内双折射。该模拟也同样预测该有掩模的涂层将比该部分外径附近的无掩模的涂层显示较小的双折射，因此有掩模构造的平均和最大沉积角都小于无掩模构造的平均和最大沉积角。
[68]已经测量Exicor延迟并将其与这些模式化的结果相对比。在从直径为21”的衬底上切下的小段上完成延迟试验。垂直入射的面内延迟被在每段上以1mm间隔用633nm的光测量，并被沿着原始部分的近似径向扫描。相同衬底的无涂层段也同样被测量以作为参考。试验的结果在图6中示出。虽然做了多个测量来证实看得见的趋势，但是每个操作中只示出了一个测量。延迟中的波动是样品上的某些位置处的样品反射在633nm大于5％的结果，因为产生的抗反射涂层相对633nm的目标波长被偏移。
[69]对于所有样品，延迟随着径向位置而增加。这表明最大沉积角对延迟的影响大于平均沉积角对延迟的影响，因为对于有掩模构造和无掩模构造的最大沉积角都随着径向位置的增加而增加，如图5所示。利用图5中对于径向位置的最大沉积角，试验的延迟被作为最大沉积角的函数重新图示。图7中示出了该曲线。
[70]涂层的物理厚度根据公式(3)影响测量的延迟值，
              Г＝Δnd                                       (3)
其中Г是以纳米为单位的延迟，Δn是对于两个正交偏振的最大和最小折射率之差，以及d是以纳米为单位的物理厚度。
[71]随物理厚度从内径位置到外径位置而减少，无掩模的样品具有横跨内段和外段的大约11％的总厚度变化。在9.5”径向位置周围的径向位置，有掩模操作具有与无掩模操作相同的物理厚度，但是在较低的径向位置，有掩模操作具有比无掩模操作厚的物理厚度。基于计算的涂层几何结构的厚度分布被用来作涂层厚度的模型，并且对于作为最大沉积角的函数的无掩模操作，利用公式(3)来计算垂直入射，或面内双折射(Δn)。对于每种设计，由于每个涂层材料产生的总延迟表示为
              Г＝ΔnLdL+ΔnHdH                          (4)
其中下标L和H分别指的是低折射率材料(即SiO2)和高折射率材料(即Ta2O5)。由于SiO2沉积成基本上为非晶结构，所以这种材料的双折射被忽略(预先的试验测量表明其非常小)。利用延迟数据和Ta2O5的设计厚度，可以计算这种材料的面内双折射。图8示出了作为最大沉积角的函数的面内双折射。对于在窄角度范围上的这种计算，测量的延迟以线性函数近似。
[72]有掩模的样品具有横跨测量的径向位置的小于1.5％的总厚度变化，这在测量波动中不足以区别，所以假定该物理厚度是恒定的。再次，SiO2的双折射假定是可以忽略的，而所有的延迟都是因Ta2O5层而产生的。根据公式(3)计算涂层的面内Δn。图9是对于有掩模的涂层依此计算的面内Δn的图。根据这种计算，作为最大沉积角的函数的所测量的延迟以线性函数近似。
[73]值得注意的是，有掩模操作中得到的样品的面内双折射大约为无掩模的样品的面内双折射的2倍。这和人们期望从沉积角中得到的相反(即，由于有掩模结构具有比无掩模结构低的最大和平均沉积角)。这些两种构造的双折射差异因此被认为是由于沉积速率的差异造成的，或更可能是由于在部分旋转周期的一半期间掩模阻挡了涂层熔剂，使得该掩模影响了柱状结构而造成的。
[74]两种样品的双折射都小于通过现有技术曲线预测的双折射，在现有技术曲线中，所有涂层熔剂以单一入射角入射的。涂层熔剂的入射锥可能“圆化(rounding)”该柱状结构(减少其方向性)，所以双折射较小。
[75]现有的商业出售的用于VAN式LCoS微显示器的调整延迟器的面内延迟通常在大于2-7nm之间的范围内。由Ta2O5在盘的外径处显示的面内双折射量，即无掩模的0.0012和有掩模的0.0023在适当范围内，以使得调整延迟器具有合理的涂层厚度(例如，小于6μm厚)。
[76]Exicor测量同样产生相对于部分扫描的x方向的双折射材料的快轴的定向的测量。该扫描方向近似沿21”直径部分的半径取向。对于调整延迟器，快轴需要具有横跨该部分的线性方向的恒定的取向，以提供最佳性能。图10是该数据对于有掩模和无掩模样品的曲线图，其示出了无掩模样品比有掩模样品具有更均一的快轴取向。更特别地，图10示出了延迟角与平均沉积角的关系曲线，其中延迟角是双折射材料的快轴相对于x扫描方向所成的角。图11示出了作为计算的平均沉积角的函数示出的同一延迟。
[77]对于每种涂层构造，有掩模和无掩模，都呈现出平均沉积角和双折射材料的轴取向之间的相互关系。但是，这是有掩模构造和无掩模构造的取向角之间的显著差异。
[78]每种涂层构造，有掩模和无掩模，同样都要经受环境测试。更特别地，来自每个部分的外径的样品都要经受湿度、附着力和摩擦测试。表2中总结的环境测试的结果表面涂层是非常耐用的。
 测试(序列) 1021-1071 1021-1074
 24hr.湿度 通过 通过
 快速带 通过 通过
 20摩擦擦除器 通过 通过
表2.涂层操作的环境测试结果
[79]每种涂层构造，有掩模和无掩模，都要用透射电子显微镜(TEM)检查层结构。通常，TEM显微照片表明薄膜是基本上非晶的。虽然一些显微照片显示了柱状微结构可能的证据，但是这只是明确了个别的柱和/或空隙的缺少。此外，一些显微照片显示了厚Ta2O5层中的小斑点或斑点区域。有掩模操作中比无掩模操作中更明显地存在小斑点的纳米结构，其可能与在有掩模操作中比在无掩模操作中具有更高的面内双折射有关。在每个TEM显微照片中，薄膜看起来十分致密(即，不是高多孔的)。利用卢瑟福背散射(RBS)和扫描电子显微镜(SEM)表示特性的粗略估算的Ta2O5膜的密度是有掩模构造为93％和无掩模构造为98％。利用上述方法准备的滤波器上的水分移动测试表明涂层是名义地充分致密(即，非常紧密或等于100％或“体(bulk)”密度)。在水分转移测试中，滤波器在干燥条件下测试，暴露于湿度中24小时，然后再次测试。该涂层基本上没有显示波长上的变化。如果该涂层不是充分致密的，在暴露于湿度之后将会出现向长波长的偏移，因为水分可以渗入该涂层并部分地填充空隙-从而使折射率稍微增加同时改变响应较高波长的滤波器的位置。
[80]值得注意的是，完全不需要充分致密的，基本上非晶的薄膜(即具有很少或没有柱状微结构)以显示有用的双折射。对于本发明人的最好知识是，没有人已经采用这些充分致密的、基本上非晶的薄膜的形式双折射和/或它们的在高光通量和/或高温环境中的稳定性。
[81]根据本发明的一个实施例，充分致密的、形式双折射薄膜被用来提供光学系统(例如，液晶显示系统中，偏光计中，作为四分之一波片等等)中的偏振控制。
[82]通常，形式双折射通过倾斜角沉积被引入薄膜。优选地选择或改变沉积处理以确保薄膜是致密的(例如，大于大约90％的体密度)并显示适当的双折射(例如，在550nm大于大约0.0002)，所述沉积处理通常是利用不同蒸发中的一种或本领域技术人员熟知的溅射沉积技术的物理蒸汽沉积。例如，通常选择涂层熔剂入射角、涂层掩模设计、涂层源和衬底距离、涂层源和衬底相对位置和取向、沉积速度、衬底旋转控制和涂层材料中的至少一个来提供所需的双折射和/或密度。可替换地，或附加地，通过利用诸如IAD的含能处理实现高密度。例如，在前述的例子中，沉积角(例如，2°到35°)的宽范围包括涂层熔剂入射角，可选的涂层掩模是180°掩模，衬底离开坩埚大约30”，沉积速度在大约2-12/sec之间，衬底以大约500rpm旋转，以及利用IAD源。通常，平均沉积角，或更一般的，最大沉积角将小于约40°。
[83]有利地，致密形式双折射薄膜易于由正常各向同性材料(例如，非分子双折射的)制造，并且更特别地由无机和/或电介质材料制造。因此，致密形式双折射膜易于与其它薄膜层相结合以提供多功能全电介质薄膜膜系。
[84]根据本发明的另一个实施例，将致密的、形式双折射薄膜层插入AR涂层，其被用来提供补偿液晶显示器的偏振。例如，上面讨论的例子中，将厚Ta2O5层插入4层Ta2O5/SiO2AR中的设计。可替换地，可提供其它的设计。例如，考虑表3中的描述的红波段AR涂层，其中将交替的Ta2O5/SiO2膜系沉积在浮法硼硅玻璃(borofloat)衬底(n＝1.47)上，并且其中薄膜膜系中的每一层都利用图4中描述的试验装置以低入射角沉积。
材料  厚度(nm)
衬底
SiO2  115.72
Ta2O5  24.53
SiO2  34.17
Ta2O5  2954.24
SiO2  217.16
SiO2  74.56
SiO2  226.31
Ta2O5  1196.63
SiO2  239.28
Ta2O5  11.82
SiO2  219.28
Ta2O5  38.59
SiO2  126.42
空气
表3.红波段AR涂层的参数
[85]如图12中所示，大约7.5μm厚的红光波段AR涂层提供大约6.8nm的平均面内延迟。便利地，相应的双折射等级适于用于VAN式LCoS系统的低延迟调整延迟器的制造。此外，由于全电介质薄膜膜系缺少个别柱/空隙微结构，所以双折射在由微显示器投影系统提供的高光通量和/或高温环境中非常稳定。
[86]根据本发明的另一个实施例，致密的、形式双折射薄膜层被插入独立的全电介质调整延迟器，其被用来补偿VAN式LCoS微显示器投影系统的残余双折射。
[87]参考图13，这里示出了提高VAN式LCoS微显示器投影系统中的图像对比度的全电介质调整延迟器的实施例。调整延迟器90具有设置在衬底93的第一侧的电介质薄膜膜系92和设置在衬底93的第二相对侧的抗反射涂层94。将A板功能给予调整延迟器90的电介质薄膜膜系92包括由AR层96限制的致密的形式双折射层95。每个通常是电介质膜系的AR层94和96用作具有折射率突变的界面的折射率匹配层。
[88]通常，通过倾斜角沉积将形式双折射引入致密的、形式双折射层95。沉积工艺通常是一种采用本领域中那些熟练技术人员公知的许多种蒸发或溅射沉积技术中的一种的物理蒸汽沉积，对该沉积工艺进行优选选择或改变以确保薄膜是致密的(例如，大于大约90％的体密度)并显示适当的双折射(例如，在550nm大于大约0.0002)。例如，通常对涂层熔剂入射角(coating flux incident angle)、涂层掩模设计、涂层源与衬底的距离、涂层源与衬底的相对位置和定向、沉积速度、衬底旋转控制、和涂层材料中的至少一个进行选择以提供所需要的双折射和/或密度。可替换地，或附加地，通过利用诸如IAD(离子辅助沉积)的含能处理(energetic process)实现高密度。例如，在前述的例子中，沉积角的宽范围(例如，2°到35°)包括涂层熔剂入射角，可选的涂层掩模是180°掩模，衬底离开坩埚大约30”，沉积速度在大约2-12/sec之间，衬底以大约500rpm的速度旋转，以及采用IAD源。通常，平均沉积角，或典型地，最大沉积角将小于大约40°。
[89]值得注意的是，仅为了说明的目的，所示的薄膜膜系92包括单个致密的、形式双折射层95。根据本发明的其它实施例，薄膜膜系92包括多个较薄的致密的、形式双折射层和/或插入层(例如，交替的折射率设计)。可替换地，形式双折射层95由与衬底具有近似折射率的材料制造并省略内部的AR涂层。进一步可替换地，A板膜系包括至少一个包含更复杂的AR设计的致密的、形式双折射层。在实施例中，薄膜膜系包括单个致密的、形式双折射层，该形式双折射层通常相当厚(例如，几个微米)。
[90]用于形成电介质薄膜膜系92和/或AR层94的合适电介质包括诸如TiO2，Ta2O5，ZrO2和SiO2的金属氧化物，它们在可见光波长光谱范围内(例如，从400nm到700nm)是光学各向同性的且呈现高透明性。
[91]衬底91通常是平面平行玻璃板衬底，例如其大约是1mm厚。一些普通的已经被用于显示器应用的衬底包括康宁(Corning)1737F和肖特(Schott)D263T，它们都采用在λ＝550nm处具有1.52的标称折射率的硅酸盐浮动玻璃。可替换地，该衬底由另一种提供机械支撑的透明材料制造，如熔融石英。
[92]这种调整延迟器的面内延迟(在实践中，其可以达到大约四分之一波长)在横跨整个可见波段的通常目标是小于30nm，更通常地是在大约1-10nm之间。例如，如果调整延迟器的目标是具有5nm的面内延迟，并具有有效的、大约0.002的面内双折射，则单层A板设计应该需要大约2.5μm的层。这种厚度的薄膜完全在任何像样的镀膜机的容量之内。
[93]有利地，通过沉积工艺自身产生A板双折射。由于致密的、形式双折射层95易于在标准的镀膜腔中与AR涂层94/96串联沉积，所以可以提供非常低成本的全电介质调整延迟器。此外，由于调整延迟器完全由无机电介质材料制造，所以可以获得高耐久性和/或防潮涂层。此外，由于无机电介质材料没有明显的柱/空隙微结构，所以双折射在由微显示器投影系统提供的高光通量和/或高温环境中非常稳定。
[94]参考图14，这里示出了提高VAN式LCoS微显示器投影系统中的图像对比度的全功能A/-C板调整延迟器的实施例。调整延迟器100包括-C板电介质膜系101，A板电介质膜系102，和衬底107。更特别地，-C板膜系101耦合到衬底107的第一侧，而A板膜系102耦合到衬底107第二相对侧。
[95]-C板电介质膜系101包括由抗反射(AR)涂层105限制的形式双折射(FB)结构103以提供具有-C板功能的FBAR膜系。形式双折射结构103包括第一多层，每层都具有第一折射率n1和第一厚度d1，并与至少第二多层相交替，每个第二层都具有第二折射率n2和第二层厚度d2。优选地，每层层厚d1和d2都是工作波长(例如，λ＝550nm)的分数以便实现形式双折射效应。通常，如果层厚d1和d2相近，且n1与n2之差较大(例如，大于大约0.5)，则形式双折射将达到最大化。例如，包括71对氧化钽(Ta2O5)和氧化硅(SiO2)层的-C板膜系已经被评价来提供大约-6.3nm的净延迟(在空气中入射角为±12°时)，所述氧化钽和氧化硅在λ＝550nm处分别具有2.20和1.46的标称折射率。当这些电介质层具有近似相等的层厚时，通常小于大约40nm厚，所得到的膜系的有效折射率大约为2。
[96]A板电介质膜系102包括由AR层106限制的致密的、形式双折射层104。通常，通过倾斜角沉积将形式双折射引入致密的、形式双折射层104。沉积工艺通常是一种采用本领域中那些熟练技术人员公知的许多种蒸发或溅射沉积技术中的一种的物理蒸汽沉积，对该沉积工艺进行优选选择或改变以确保薄膜是致密的(例如，大于大约90％的体密度)并呈现适当的双折射(例如，在550nm大于大约0.0002)。例如，通常对涂层熔剂入射角、涂层掩模设计、涂层源与衬底距离、涂层源与衬底相对位置和定向、沉积速度、衬底旋转控制，和涂层材料中的至少一个进行选择以提供所需要的双折射和/或密度。可替换地，或附加地，通过利用诸如IAD的含能处理实现高密度。例如，在前述的例子中，沉积角(例如，2°到35°)的宽范围包括涂层熔剂入射角，可选的涂层掩模是180°掩模，衬底离开坩埚大约30”，沉积速度在大约2-12/sec之间，衬底以大约500rpm旋转，以及采用IAD源。通常，平均沉积角，或更典型地，最大沉积角将小于大约40°。
[97]值得注意的是，仅为了洗明的目的，所示的A板电介质膜系102包括单个致密的、形式双折射层104。根据本发明的其它实施例，A板膜系102包括多个较薄的致密的、形式双折射层和/或插入层(例如，交替的折射率设计)。可替换地，形式双折射层104由与衬底具有近似折射率的材料制造并省略内部的AR涂层。进一步可替换地，A板膜系包括至少一个包含更复杂的AR设计的致密的、形式双折射层。在实施例中，A板电介质膜系包括单个致密的、形式双折射层，该形式双折射层通常相当厚(例如，几个微米)，然而在A板电介质膜系102包括多个致密的、形式双折射层的实施例中的该形式双折射层通常都相对较薄。
[98]在每个-C板和A板电介质膜系中，通常是电介质膜系的每个AR层105/106用作具有折射率突变的界面处的折射率匹配层。AR涂层105/106同样可以提供额外的面外延迟分量，在制造调整延迟器时该面外延迟分量应该被计算在总的延迟和相位差内。
[99]用于形成-C板电介质膜系101和/或A板电介质膜系102的合适电介质包括诸如TiO2，Ta2O5，ZrO2和SiO2的金属氧化物，它们在可见光波长光谱范围(例如，从400nm到700nm)是光学各向同性的且呈现高透明性。
[100]衬底107通常是平面平行玻璃板衬底，例如其大约是1mm厚。一些普通的已经被用于显示器应用的衬底包括康宁1737F和肖特(Schott)D263T，它们都采用在λ＝550nm处具有1.52的标称折射率的硅酸盐浮动玻璃。可替换地，该衬底由另一种提供机械支撑的透明材料制造，如熔融石英。
[101]这种调整延迟器的面内延迟(在实践中，其可以达到大约四分之一波长)在横跨整个可见波段的通常目标是小于30nm，更通常地是在大约1-10nm之间。例如，如果调整延迟器的目标是具有5nm的面内延迟，并具有大约0.002的面内双折射效应，则单层A板设计应该需要大约2.5μm的层。这种厚度的膜完全在任何像样的镀膜机的性能之内。这种调整延迟器的面外延迟在横跨整个可见波段的通常目标是在大约-1nm到-1000nm的范围内。
[102]有利地，A板延迟和-C板延迟都由无机和/或电介质材料提供。因此，A板膜系和-C板膜系易于在标准的镀膜腔中沉积以提供低成本的全电介质调整延迟器。此外，由于调整延迟器完全由无机电介质材料制造，所以可以获得高耐久性和/或防潮涂层。此外，由于无机电介质材料没有明显的柱/空隙微结构，所以双折射在由微显示器投影系统提供的高光通量和/或高温环境中非常稳定。
[103]参考图1 5，这里示出了改善VAN式LCoS微显示器投影系统中的图像对比度的全功能A/-C板调整延迟器的另一个实施例。调整延迟器110包括-C板电介质膜系111，A板电介质膜系112，多个AR层113，114，115，和116，以及衬底117。更特别地，-C板电介质膜系111和A板电介质膜系112都耦合到衬底117的第一侧，而AR层116耦合到衬底117第二相对侧。
[104]-C板电介质膜系111包括由抗反射(AR)涂层105限制的形式双折射(FB)结构111a以提供具有-C板功能的FBAR膜系。形式双折射结构111a包括第一多层，每层都具有第一折射率n1和第一厚度d1，并与至少第二多层相交替，每个第二层都具有第二折射率n2和第二层厚度d2。优选地，每层层厚d1和d2都是工作波长(例如，λ＝550nm)的分数以便实现形式双折射效应。通常，如果层厚d1和d2相近，且n1与n2之差较大(例如，大于大约0.5)，则形式双折射将达到最大化。例如，包括71对氧化钽(Ta2O5)和氧化硅(SiO2)层-C板膜系已经被评价来提供大约-6.3nm的净延迟(在空气中入射角为±12°时)，所述氧化钽和氧化硅在λ＝550nm处分别具有2.20和1.46的标称折射率。当这些电介质层具有近似相等的层厚时，通常小于大约40nm厚，所得到的膜系的有效折射率大约为2。
[105]A板电介质膜系112包括由AR层114/115限制的致密的、形式双折射层112a。通常，通过倾斜角沉积将形式双折射引入致密的、形式双折射层112a。沉积工艺通常是一种采用本领域中那些熟练技术人员公知的许多种蒸发或溅射沉积技术中的一种的物理蒸汽沉积，对该沉积工艺进行优选选择或改变以确保薄膜是致密的(例如，大于大约90％的体密度)并呈现适当的双折射(例如，在550nm大于大约0.0002)，。例如，通常对涂层熔剂入射角、涂层掩模设计、涂层源与衬底距离、涂层源与衬底的相对位置和定向、沉积速度、衬底旋转控制，和涂层材料中的至少一个进行选择以提供所需要的双折射和/或密度。可替换地，或附加地，通过采用诸如IAD的含能处理实现高密度。例如，在前述的例子中，沉积角(例如，2°到35°)的宽范围包括涂层熔剂入射角，可选的涂层掩模是180°掩模，衬底离开坩埚大约30”，沉积速度在大约2-12/sec之间，衬底以大约500rpm旋转，以及采用IAD源。通常，平均沉积角，或更典型地，最大沉积角将小于大约40°。
[106]值得注意的是，仅为了说明的目的，所示的A板电介质膜系112包括单个致密的、形式双折射层112a。根据本发明的其它实施例，A板膜系包括多个较薄的致密的、形式双折射层和/或插入层(例如，交替的折射率设计)。可替换地，形式双折射层由与衬底具有近似折射率的材料制造并省略内部的AR涂层115。进一步可替换地，A板膜系包括至少一个包含更复杂的AR设计的致密的、形式双折射层。在实施例中，A板电介质膜系包括单个致密的、形式双折射层，该形式双折射层通常相当厚(例如，几个微米)，然而在A板电介质膜系被多个致密的、形式双折射层代替的实施例中的该形式双折射层通常都相对较薄。
[107]通常是电介质膜系的每个AR层113，114，115，和116用作具有折射率突变的界面处的折射率匹配层。AR涂层113，114，115，和116同样可以提供额外的面外延迟分量，在制造调整延迟器时该面外延迟分量应该被计算在总的延迟和相位差内。
[108]用于形成-C板电介质膜系111和/或A板电介质膜系112的合适电介质包括诸如TiO2，Ta2O5，ZrO2和SiO2的金属氧化物，它们在可见光波长光谱范围(例如，从400nm到700nm)是光学各向同性的且呈现高透明性。
[109]衬底117通常是平面平行玻璃板衬底，例如其大约是1mm厚。一些普通的已经被用于显示器应用的衬底包括康宁1737F和肖特(Schott)D263T，它们都采用在λ＝550nm处具有1.52的标称折射率的硅酸盐浮动玻璃。可替换地，该衬底由另一种提供机械支撑的透明材料制造，如熔融石英。
[110]这种调整延迟器的面内延迟(在实践中，其可以达到大约四分之一波长)在横跨整个可见波段的通常目标是小于30nm，更通常地是在大约1-10nm之间。例如，如果调整延迟器的目标是具有5nm的面内延迟，并具有大约0.002的面内双折射效应，则单层A板设计应该需要大约2.5μm的层。这种厚度的薄膜完全在任何像样的镀膜机的性能之内。这种调整延迟器的面外延迟在横跨整个可见波段的通常目标是在大约-1nm到-1000nm的范围内。
[111]有利地，A板延迟和-C板延迟都由无机和/或电介质材料提供。因此，A板膜系和-C板膜系易于在标准的镀膜腔中沉积以提供低成本的全电介质调整延迟器。此外，由于调整延迟器完全由无机电介质材料制造，所以可以获得高耐久性和/或防潮涂层。此外，由于无机电介质材料没有明显的柱/空隙微结构，所以双折射在由微显示器投影系统提供的高光通量和/或高温环境中非常稳定。
[112]在参考图15讨论的实施例中，-C板电介质膜系111级联在致密的A板电介质膜系上。在可替换的实施例中，A板电介质膜系层叠在-C板电介质膜系111上。
[113]参考图16，这里示出了改善VAN式LCoS微显示器投影系统中的图像对比度的全功能A/-C板调整延迟器的另一个实施例。调整延迟器210包括电介质膜系，该电介质膜系具有被AR层214，215限制的与第二多个低折射率层212相交替的第一多个高折射率层211。该电介质膜系被耦合到衬底217的第一侧，而另一AR层216被耦合到衬底217第二相对侧。
[114]对第一多层和第二多层中每一层的层厚进行选择以使电介质膜系提供-C板功能。至少第一多层和第二多层中的一个采用倾斜角沉积形成。沉积工艺通常是一种采用本领域中那些熟练技术人员公知的许多种蒸发或溅射沉积技术中的一种的物理蒸汽沉积，对该沉积工艺进行优选选择或改变以确保薄膜是致密的(例如，大于大约90％的体密度)并呈现适当的双折射(例如，在550nm大于大约0.0002)。例如，由于层厚通常小于大约100nm，且经常小于约20nm，以提供适当的-C板双折射，可能需要较高的入射角以提供较高的A板延迟，因此需要调整沉积速度、衬底旋转控制和含能处理中的至少一个来确保微结构是无孔的。
[115]通常是电介质膜系的每个AR层214，215，和216用作具有折射率突变的界面处的折射率匹配层。AR涂层同样可以提供额外的面外延迟分量，在制造调整延迟器时该面外延迟分量应该被计算在总的延迟和相位差内。
[116]用于形成电介质膜系的合适电介质包括诸如TiO2，Ta2O5，ZrO2和SiO2的金属氧化物，它们在可见光波长光谱范围(例如，从400nm到700nm)是光学各向同性的且呈现高透明性。
[117]衬底217通常是平面平行玻璃板衬底，例如其大约是1mm厚。一些普通的已经被用于显示器应用的衬底包括康宁1737F和肖特(Schott)D263T，它们都采用在λ＝550nm处具有1.52的标称折射率的硅酸盐浮动玻璃。可替换地，该衬底由另一种提供机械支撑的透明材料制造，如熔融石英。
[118]这种调整延迟器的面内延迟(在实践中，其可以达到大约四分之一波长)在横跨整个可见波段的通常目标是小于30nm，更通常地是在大约1-10nm之间。这种调整延迟器的面外延迟在横跨整个可见波段的通常目标是在大约-1nm到-1000nm的范围内。
[119]有利地，A板延迟和-C板延迟都由相同的无机电介质材料提供，因此简化了沉积工序。此外，由于调整延迟器完全由无机电介质材料制造，所以可以获得高耐久性和/或防潮涂层。此外，由于无机电介质材料没有明显的柱/空隙微结构(column/voidmicrostructure)，所以双折射在由微显示器投影系统提供的高光通量和/或高温环境中非常稳定。
[120]根据本发明的另一个实施例，将致密的、形式双折射薄膜层包含有集成另一光学部件的全电介质调整延迟器，该另一光学部件用来补偿VAN式LCoS微显示器投影系统的残余双折射。
[121]参考图17，这里示出了集成到VAN式LCoS微显示器投影系统的显示器面板盖中的全功能A/-C板调整延迟器的实施例。调整延迟器组合件包括-C板电介质膜系303、A板电介质膜系302和多个AR层301，都设置在透明覆盖衬底300的第一表面上。该调整延迟器组合件形成具有硅底板(衬底)304上的顶层金属反射镜305的LC单元间隙，LC分子306设置在该LC单元间隙中。通常，LCoS也包括取向层(例如，聚合的或倾斜蒸发的无机层)307和前透明导电电极(例如，ITO)308。
[122]-C板电介质膜系303包括由抗反射(AR)涂层301限制的形式双折射(FB)结构303a以提供具有-C板功能的FBAR膜系。形式双折射结构303a包括第一多层，每层都具有第一折射率n1和第一厚度d1，并与至少第二多层相交替，每个第二层都具有第二折射率n2和第二层厚度d2。优选地，每层层厚d1和d2都是工作波长(例如，λ＝550nm)的分数以便实现形式双折射效应。通常，如果层厚d1和d2相近，且n1与n2之差较大(例如，大于大约0.5)，则形式双折射将达到最大化。例如，包括71对氧化钽(Ta2O5)和氧化硅(SiO2)层-C板膜系已经被评价来提供大约-6.3nm的净延迟(在空气中入射角为±12°时)，所述氧化钽和氧化硅在λ＝550nm处分别具有2.20和1.46的标称折射率。当这些电介质层具有近似相等的层厚时，通常小于大约40nm厚，所得到的膜系的有效折射率大约为2。
[123]A板电介质膜系302包括由AR层301b/c限制的致密的、形式双折射层302a。通常，通过倾斜角沉积将形式双折射引入致密的、形式双折射层302a。沉积工艺通常是一种采用本领域中那些熟练技术人员公知的许多种蒸发或溅射沉积技术中的一种的物理蒸汽沉积，对该沉积工艺进行优选选择或改变以确保薄膜是致密的(例如，大于大约90％的体密度)并呈现适当的双折射(例如，在550nm处大于大约0.0002)。例如，通常对涂层熔剂入射角、涂层掩模设计、涂层源与衬底距离、涂层源和衬底的相对位置和定向、沉积速度、衬底旋转控制和涂层材料中的至少一个进行选择以提供所需要的双折射和/或密度。可替换地，或附加地，通过采用诸如IAD的含能处理实现高密度。例如，在前述的例子中，沉积角(例如，2°到35°)的宽范围包括涂层熔剂入射角，可选的涂层掩模是180°掩模，衬底离开坩埚大约30”，沉积速度在大约2-12/sec之间，衬底以大约500rpm旋转，以及采用IAD源。通常，平均沉积角，或更典型地，最大沉积角将小于大约40°。
[124]值得注意的是，仅为了说明的目的，所示的A板电介质膜系302包括单个致密的、形式双折射层。根据本发明的其它实施例，A板膜系包括多个较薄的致密的、形式双折射层和/或插入层(例如，交替的折射率设计)。可替换地，形式双折射层由与衬底具有近似折射率的材料制造并省略内部的AR涂层301c。进一步可替换地，A板膜系包括至少一个包含更复杂的AR设计的致密的、形式双折射层。在实施例中，A板电介质膜系包括单个致密的、形式双折射层，该形式双折射层通常相当厚(例如，几个微米)，然而在A板电介质膜系112被多个致密的、形式双折射层代替的实施例中的该形式双折射层通常都相对较薄。
[125]通常是电介质膜系的每个AR层301a-301c用作具有折射率突变的界面处的折射率匹配层。AR涂层301a-301c同样可以提供额外的面外延迟分量，在制造调整延迟器时该面外延迟分量应该被计算在总的延迟和相位差内。
[126]用于形成-C板电介质膜系303和/或A板电介质膜系302的合适电介质包括诸如TiO2，Ta2O5，ZrO2和SiO2的金属氧化物，它们在可见光波长光谱范围(例如，从400nm到700nm)是光学各向同性的且呈现高透明性。
[127]这种调整延迟器的面内延迟(在实践中，其可以达到大约四分之一波长)在横跨整个可见波段的通常目标是小于30nm，更通常地是在大约1-10nm之间。例如，如果调整延迟器的目标是具有5nm的面内延迟，并具有大约0.002的面内双折射效应，则单层A板设计应该需要大约2.5μm的层。这种厚度的膜完全在任何像样的镀膜机的性能之内。这种调整延迟器的面外延迟在横跨整个可见波段的通常目标是在大约-1nm到-1000nm的范围内。
[128]为了实现高产量的集成式补偿器/显示器，考虑到两个延迟元件的垂直面内延迟量，可通过机械地旋转在器件平面内的覆盖衬底施加A板/-C板膜系和显示元件306之间的粗略的方位角偏移量。每个集成式补偿器/显示器的各自微调可以包含其它非机械方法，例如电压切换处于断开位置的LC倾斜角以进一步减少总的泄露强度。关于更详细的非机械微调提供在于2005年10月18日提交的美国临时专利申请号60/727,969中,在此通过参考将其全部内容结合入本发明中。需要注意的是，如果ITO层允许施加的大部分电压可以穿过LC层(即，ITO层没有完全与LC层绝缘)，那么A板膜系和-C板膜系可被任意地分布到覆盖衬底300的两个表面。
[129]有利地，将A板膜系和-C板膜系集成在LCoS的覆盖衬底中省略了至少两个多余AR涂层(例如，在调整延迟器和显示器面板上，彼此面对面)。
[130]由于A板膜系和-C板膜系都用易于在标准的镀膜腔内沉积的无机电介质材料形成，所以可以提供低成本全电介质调整延迟器。此外，由于全功能调整延迟器完全由无机电介质材料形成，所以可以获得高耐久性和/或防潮涂层。而且，由于无机电介质材料没有明显的柱/空隙微结构，所以双折射在由微显示器投影系统提供的高光通量和/或高温环境中非常稳定。
[131]在上述每个实施例中，在标准镀膜腔中沉积并完全由无机和/或电介质材料形成的薄膜层被用来提供A板功能。这些形式双折射薄膜层相当致密(例如，层的密度近似等于材料的体密度)并且是无孔的。结果，这些完全致密的薄膜具有在高光通量条件下的高耐久性和/或稳定性。此外，由于这些薄膜不显示明显的柱/柱状隙微结构，所以它们的制造相对简单。例如，虽然单个倾斜角可被用来制造致密薄膜层，利用倾斜角范围可以简化其制造。因此，除了在LCD应用中提供偏振补偿之外，本发明的薄膜光学延迟器还被展望来提供简单、低成本的方法以实现其它不同应用中的偏振控制。
[132]根据一实施例，利用低角度沉积(例如，小于40°)薄膜层并因此在630nm具有大约0.001到0.002之间范围的面内双折射。虽然不知道这些致密层的面外双折射，但是任何+C板延迟都易于利用具有-C板延迟的FBAR膜系补偿。实际上，致密的、形式双折射薄膜层易于级联或者耦合到FBAR薄膜膜系以提供全A/-C板功能。FBAR膜系或其它可选层易于在相同的沉积室中形成。可替换地，利用其它沉积技术(即，常用的沉积技术包括化学气相淀积(CVD)、等离子体增强CVD、电子束蒸发、热蒸发、溅射、和/或原子层沉积)形成FBAR膜系或其它可选层。
[133]当然，上述实施例只是作为例子提供。本领域技术人员可以意识到在不脱离本发明的精神和范围下，可以使用不同的改进、改变的构造、和/或等价物。例如，虽然已经参考VAN式LCoS投影应用中的偏振补偿讨论了本发明，但是本领域技术人员可以意识到本发明同样可以用于其它LCD应用，例如透射式VAN式LCD应用，其可能是或可能不是投影应用。例如，根据本发明的另一个实施例，将薄膜光学延迟器包含入透射式VAN式LCD面板的一个或两个衬底中。虽然前面讨论的调整延迟器的实施例已经被描述成被包含入液晶单元组合件或被用作液晶微显示器投影系统中的独立装置，然而在本发明的范围内还可以将薄膜光学延迟器与其它光学部件集成，例如四分之一片。因此，本发明的范围仅仅由附加的权利要求书的范围来限定。

Claims (26)

1、一种光学延迟器，其包括：
至少一个利用倾斜角沉积形成的致密的、形式双折射层，其中对所述倾斜角和所述至少一个致密的、形式双折射层的总厚度进行选择，以提供用来提供偏振控制的A板延迟。
2、根据权利要求1中所述的光学延迟器，其中所述至少一个致密的、形式双折射层的密度大于所述层材料体密度的大约90％。
3、根据权利要求1中所述的光学延迟器，其中所述至少一个致密的、形式双折射层基本上是非晶的。
4、根据权利要求1中所述的光学延迟器，其中所述至少一个致密的、形式双折射层包括电介质薄膜。
5、根据权利要求1中所述的光学延迟器，其中所述至少一个致密的、形式双折射层包括金属氧化物。
6、根据权利要求1中所述的光学延迟器，其中所述至少一个致密的、形式双折射层包含Ta2O5。
7、根据权利要求1中所述的光学延迟器，其中所述至少一个致密的、形式双折射层被包含在抗反射薄膜膜堆中。
8、根据权利要求1中所述的光学延迟器，其中所述A板延迟在1和30nm之间的范围内。
9、根据权利要求1至8中任一项权利要求中所述的光学延迟器，其中所述光学延迟器是调整延迟器，并且其中对所述倾斜角和所述至少一个致密的、形式双折射层的总厚度进行选择，以提供用来补偿液晶显示器面板的残余面内双折射的A板延迟。
10、根据权利要求9中所述的光学延迟器，包括：形式双折射抗反射膜堆，所述抗反射膜堆包括具有第一折射率的第一多个介电层，所述第一多个介电层与具有第二折射率的至少第二多个介电层交错，用来提供补偿液晶显示器面板的面外双折射的-C板延迟。
11、根据权利要求10中所述的光学延迟器，其中所述至少一个致密的、形式双折射层和所述形式双折射抗反射膜堆被耦合到衬底的相对侧。
12、根据权利要求10中所述的光学延迟器，其中所述至少一个致密的、形式双折射层和该形式双折射抗反射膜堆级联在衬底的相同侧。
13、根据权利要求10中所述的光学延迟器，其中所述至少一个致密的、形式双折射层和所述形式双折射抗反射膜堆被耦合到液晶显示器面板的盖板。
14、一种制造光学延迟器的方法，包括：
利用倾斜角沉积在表面上沉积至少一个致密的、形式双折射层，其中对所述倾斜角和所述至少一个致密的、形式双折射层的总厚度进行选择，以提供用来提供偏振控制的A板延迟。
15、根据权利要求14中所述的制造光学延迟器的方法，其中所述倾斜角沉积包括含能处理。
16、根据权利要求14中所述的制造光学延迟器的方法，其中所述含能处理包括离子辅助沉积。
17、根据权利要求14中所述的制造光学延迟器的方法，其中所述倾斜角包括宽范围的入射蒸汽熔剂角。
18、根据权利要求17中所述的制造光学延迟器的方法，其中平均沉积角小于大约40°。
19、根据权利要求17中所述的制造光学延迟器的方法，其中最大沉积角小于大约40°。
20、根据权利要求17中所述的制造光学延迟器的方法，其中所述倾斜角沉积利用掩模来减少最大沉积角。
21、根据权利要求14中所述的制造光学延迟器的方法，其中所述光学延迟器是调整延迟器，并且其中对所述倾斜角和所述至少一个致密的、形式双折射层的总厚度进行选择，以提供用来补偿液晶显示器面板的残余面内双折射的A板延迟。
22、一种基于液晶显示器的投影系统，包括：
光源；
第一偏振器，其用于接收来自所述光源的光并传输具有第一线性偏振轴的第一线性偏振光；
液晶显示器面板，其对所述第一线性偏振光进行光学调制，所述液晶显示器面板具有残余双折射；
第二偏振器，其用于接收所述经过光学调制的光并传输具有第二线性偏振轴的第二线性偏振光；
投影透镜，其用于将所述第二线性偏振光投影到屏幕上；以及
根据权利要求1至8中任一项权利要求中所述的光学延迟器，其用于补偿所述液晶显示器面板的残余双折射。
23、根据权利要求22中所述的基于液晶显示器的投影系统，其中所述调整延迟器在380nm和800nm之间的波长范围内具有0nm和-1000nm之间的面外双折射，并且在380nm和800nm之间的波长范围内具有1nm和30nm之间的面内双折射。
24、根据权利要求22中所述的基于液晶显示器的投影系统，其中所述调整延迟器与所述液晶显示器面板集成在一起。
25、根据权利要求22中所述的基于液晶显示器的投影系统，其中所述液晶显示器面板是VAN式LCoS微显示器面板，并且其中所述第一偏振器和所述第二偏振器是同一个偏振分束器。
26、根据权利要求22中所述的基于液晶显示器的投影系统，其中对所述调整延迟器的快轴进行定向，以使得所述投影系统的系统对比度级别增加。
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