KR20090004578A

KR20090004578A - 컨트라스트 보상을 위한 근 반파동 지연기

Info

Publication number: KR20090004578A
Application number: KR1020080061135A
Authority: KR
Inventors: 킴 렁 탄
Original assignee: 제이디에스 유니페이즈 코포레이션
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2009-01-12
Also published as: CN101334559A; TW200912482A; EP2009488A1; US20090002579A1; JP2009037226A

Abstract

액정 디스플레이 프로젝션 시스템의 컨트라스트 보상이, 소정 파장의 영차 반파동에서 소정 정도만큼 이동되는 평면-내 지연을 가진 단일-레이어 지연기 요소를 포함한 트림 지연기를 통해 이뤄진다. 이러한 근 반파동 기판은 통상의 상대적으로 저 규모 트림 지연기들과 비슷한 컨트라스트 보상 및 방위각 민감도를 제공하고, 또한 관리가능한 두께 편차를 가진 무기 복굴절 결정으로써 용이하게 제조된다.

Description

컨트라스트 보상을 위한 근 반파동 지연기 {Near halfwave retarder for contrast compensation}

본 출원은 일반적으로 액정 디스플레이의 컨트라스트 보상에 관한 것으로서, 더 상세히 말하면, 높은 광 플럭스 (light flux) 프로젝션 시스템에 사용되는 액정 디스플레이의 컨트라스트 보상에 관한 것이다.

액정 디스플레이 (Liquid crystal display, LCD)들이 대형 스크린 텔레비전 및 모니터들의 프로젝션 디스플레이에 널리 사용되고 있다. 특히 한 성공적인 LCD 기반 프로젝션 시스템이, 와이어 그리드 편광기 (wire grid polarizer, WGP)들 및 실리콘 상의 액정 (liquid crystal on silicon, LCoS) 패널들을 모두 이용하는, WGP 기반 LCoS 마이크로디스플레이 시스템이다. 이러한 프로젝션 시스템은 투과형 액정 (transmissive liquid crystal, xLCD), 디지털 광 프로세서 (digital light processor, DLP), 및 직시 LCD (direct-view LCD) 같은 다른 마이크로디스플레이 기술과 비교할 때 고해상도 및 고 이미지 컨트라스트를 보인다고 증명되어 왔으며, 통상적으로 셋 이상의 마이크로디스플레이 패널들 (가령, 적색, 녹색, 청색 대역 용)을 사용하여 스크린의 밝기를 개선한다. 그 외에, 프로젝션 시스템의 온 (on)-상태 대비 오프 (off)-상태 순차적 이미지 컨트라스트를 강화하기 위해, 통상적으로, 적당한 저 규모 선형 지연기 (moderately low magnitude linear retarder)가 각각의 마이크로디스플레이 패널 앞에 놓여져 오프-상태의 마이크로디스플레이 패널의 잔류 복굴절 (residual birefringence)을 보상한다. 이 기술분야에 잘 알려진 바와 같이, 통상적으로 이러한 잔여 오프-상태 복굴절은, 어두운 비디오 콘텐츠를 디스플레이할 때 매우 두드러지는 환한 다크 상태 (dark-state)로서 나타나서 온-상태/오프-상태 컨트라스트 비율을 크게 떨어뜨리는, 오프-상태 누설 (leakage)에 이르게 한다. 훨씬 더 저 규모의 디스플레이 패널들의 잔여 오프-상태 복굴절을 보상하기 위한 적당한 저 규모 선형 지연기의 사용은, 컨트라스트 비율을 크게 향상시킨다는 것을 보여 온 컨트라스트 보상을 지원한다.

예를 들어, 도 1에 도시된 통상적인 3-패널 WGP 기반 LCoS 마이크로디스플레이 프로젝션 시스템을 들 수 있다. 이 프로젝션 시스템은 이를테면 고압 방전 램프인 광원(5), 및 광 막대(7)를 포함한다. 광 막대(7)는 광원(5)에 의해 생성된 콘 형태의 빛을 균등화하여, 공간적으로 균일한 광 분포를 보장한다. 선택사항으로서, 광 막대(7)는 선형 편광을 생성하기 위한 편극 변환 광 파이프 (polarization conversion light pipe, PCLP)에 해당한다. 제1렌즈(8a)가 광 파이프(7)로부터의 광을 제1폴딩 미러 (folding mirror)(9)로 통과시키고, 제1폴딩 미러는 그 광을 제1이색성 필터 (dichroic filter)(10)로 가게 한다. 이색성 필터(10)는 청색 광을 나머지 광과 분리시켜, 그 청색 광을 제2렌즈(8b) 및 제3렌즈(8c), 그리고 제2폴딩 미러(17) 및 제3폴딩 미러(16)를 거쳐 제1LCoS 디스플레이 패널(20a)로 보낸다. 나머지 광은 이색성 필터(10)를 통과하고, 제4 및 제5렌즈들 (8d 및 8e)과 제4폴딩 미러(11)를 거쳐 제2이색성 필터(12)로 보내진다. 제2이색성 필터(12)는 그 나머지 광을 녹색 및 적색 광으로 분리시키며, 이 중 전자는 제2LCoS 디스플레이 패널(20b)로 보내지고 후자는 제3LCoS 디스플레이 패널(20c)로 보내진다. 각각의 LCoS 디스플레이 패널(20a, 20b, 및 20c)에 도달하기 전에, 각자의 입사광은 우선 WGP(15, 14, 및 13) 및 적당한 저 규모 선형 지연기(21a, 21b 및 21c)를 지난다.

각각의 WGP(15, 14, 및 13)은 복수의 병렬 마이크로 와이어들로부터 형성된 편광기/분해기 (polarizer/analyzer)로서, 상기 병렬 마이크로 와이어들의 방향에 직각인 편극을 가진 광은 투과시키고 와이어들의 방향과 나란한 편극을 가진 빛은 반사한다 (이를테면, 편광기들이 도 1에 예시된 것과 같이 수평 혹은 P-편광을 통과시키도록 설계되었으면, 마이크로 와이어들은 도 1의 평면에 대해 직각이 될 것이다). 각각의 LCoS 패널(20a, 20b, 및 20c)은 픽셀 하나하나 마다 선형 편극인 입사광의 편극을 바꾸고 변조된 광을 다시 대응하는 WGP(15, 13 및 14)로 반사시킨다. 각각의 WGP(15, 14, 및 13)이 주요 광 전파 방향에 대해 대략 ±45°를 항하므로, 편광기/분해기로서 기능 하는 것 외에, 각각의 WGP(15, 13 및 14)는 각각의 LCoS 패널로부터 반사된 광을 들어온 광 경로에 직각이 되는 출력 광 경로를 따라 인도함으로써 들어온 광을 출력 광과 분리하는 빔 스플리터 (beamsplitter)로서도 또한 동작한다. 더 상세히 말해, 각각의 WGP(15, 14 및 13)은 S-편광 (이를테면, ON 상태의 픽셀들에 의해 90°만큼 회전한 편광)을 X-큐브(19)로 반사시킨다. X- 큐브(19)는 세 컬러 채널들 각각으로부터 이미지를 집약 (즉, 수렴)하고, 프로젝션 렌즈(18)를 거쳐 최종 이미지를 대형 스크린 (미도시)으로 투사한다. 선택사항으로서, 각각의 컬러 채널은 전치-편광기 (pre-polarizer)(미도시) 및/또는 클린업 (clean-up) 분해기 (미도시)를 더 포함하며, 이는 가령 하나 이상의 WGP들 및/또는 색판별 시트 (sheet) 편광기들을 포함하는 것일 수 있다.

상술한 바와 같이, 적절한 저 규모 선형 지연기들(21a, 21b, 및 21c)은, 이들이 사용되지 않을 때 다크 (가령, 오프) 상태의 LCoS 패널들의 잔여 복굴절에 의해 제한되는 프로젝션 시스템의 컨트라스트 성능 레벨을 향상시키는데 사용되는 보상 소자들이다. 예를 들어, 이러한 적절한 저 규모 선형 지연기들(21a-c)이 없는 경우, 오프 상태의 각 마이크로디스플레이 패널을 비추는 P-편광은, LCoS 패널(20a-c)의 잔여 복굴절에 따른 반사에 의해 약간 타원형으로 편향된다. P- 및 S-성분 모두를 포함하는 그러한 타원형의 편광이 대응되는 WGP(15, 14, 13)으로 전송될 때, S 성분은 X-큐브로 반사되어, 대형 스크린상으로의 다크 상태 광 누설을 가능하게 하고 프로젝션 시스템의 컨트라스트를 제한하게 된다.

적당한 저 규모 선형 지연기들(21a-c)의 사용은 LCoS 패널들(20a-c)에서의 잔여 복굴절에 따른 지연을 보상하는 인-플레인 (in-plane) 지연을 제공함으로써 컨트라스트 레벨을 향상시킨다. 특히, 각각의 적당한 저 규모 선형 지연기(21a, 21b, 및 21c)는 대응하는 LCoS 패널의 내재적 복굴절에서 비롯되는 선형 지연을 무효로 하는 위상 지연 (phase retardance)을 도입한다. 일반적으로, "인-플레인 지연 (in-plane retardance)"이라는 용어는 (소정 파동의) 굴절율 x 광 소자의 물리 적 두께인, 직교하는 두 인-플레인 인덱스들 사이의 차이를 말한다. 각각의 저 규모 선형 지연기(21a, 21b, 및 21c)가 소정 크기의 인-플레인 지연을 제공하는데 필요로 되므로, 이들은 흔히 A-기판로서 구성된다 (즉, 기판의 평면과 나란한 방향이 되는 이상축 (extraordinary axis)을 가진 광 지연 소자). 수직 배열 네마틱 (VAN, vertically arranged nematic) LCoS 패널에 있어서, 오프 상태에서 내재적 복굴절로부터 비롯된 선형 지연은 전 가시대역에 걸쳐 대략 2 내지 7nm가 된다. 그에 따라, 적당한 저 규모 선형 지연기들(21a, 21b, 및 21c)은 통상적으로 약 10nm 내지 20nm의 A-기판 지연을 보이도록 요구된다. 적당한 저 규모 선형 지연기들(21a, 21b,및 21c)이 이렇게 상대적으로 저 규모의 선형 지연을 지원하는데 사용되므로, 이들을 보통 트림 지연기들 (trim retarders)이라 부른다.

주목할 것은, 이러한 트림 지연기들(21a-c)은 통상적으로, 이들의 슬로우 (slow) 축들이 LCoS 패널들(20a-c)의 슬로우 축들에 대해 대략 직교하는 방위각 배열로 구성되고 (즉, "교차 축" 구성으로 칭함) 이들의 패스트 (fast) 축들은 LCoS 패널(20a-c)의 패스트 축들에 대해 대략 직교하는 방위각 배열로 구성되도록 배치된다는 것이다. 여기 사용된 슬로우 축 (SA, slow axis) 및 패스트 축 (FA, fast axis)이라는 용어는, 수직 입사시 선형 지연이 측정될 때 두 직교하는 복굴절 축들을 의미한다. SA 및 FA 위치는, 축에서 벗어난 조사 (off-axis illumination) 뿐 아니라 큰 입사각에서 네거티브 플레인-외 (out-of-plane) 지연 성분을 위해 SA/FA 역할을 바꿈으로써 변경된다는 것에 주목해야 한다.

트림 지연기들(21a-c)의 슬로우 축들과 LCoS 패널들(20a-c)의 슬로우 축들은 직교하는 방위를 지향하여 구성되므로, 패스트/슬로우 축들의 역할은 수직 입사광에 대해 트림 지연기(21a-c)에서 LCoS 패널(20a-c)로 스위치 된다. 즉, 특정 편극을 가진 광은 트림 지연기(21a-c) 및 LCoS 패널(20a-c)에서 각자가 더 많이, 그 다음에는 더 적게, 혹은 그 반대로 교번하면서 지연된다. 각 트림 지연기(21a-c)의 선형 지연이 오프-상태에서 대응하는 LCoS 패널(20a-c)의 선형 지연과 매치하면, 입력 편향에 대한 실효과는 제로 상대 딜레이 (zero relative delay)가 되고, 그 결과, 편극이 변하지 않게 된다 (즉, 출력 광은 타원형으로 편향되지 않는다). 그러면 대응하는 WGP(15, 14, 13) 및/또는 선택사항인 클린업 편향기가 다크 상태 패널 누설이 스크린상에 나타나지 않도록 출력 광을 거부한다. 트림 지연기(21a-c)가 패널 온-상태의 처리율을 크게 변화시키지 않으므로, 그에 따른 순차적 컨트라스트 (풀 온/풀 오프, full on/full off)는 탁월하게 된다.

각각의 트림 지연기(21a-c)는 이론상으로는, 오프-상태에서 대응하는 LCoS 패널(20a-c)의 선형 지연과 매치하는 선형 지연을 지원하나, 실제 상에서, LCoS 패널들(20a-c) 및 트림 지연기들(21a-c) 둘 모두의 선형 지연은 장치 두께의 제조 내성 (manufacturing tolerance)와 재료 복굴절 제어, 및 동작 드리프트들 (온도, 기계적 스트레스 등등)로 인해 각 성분 안에서 가변하기가 쉽다. 그 결과, 적절한 보상을 보장하기 위해, 대응하는 LCoS 패널에 의해 보여지는 잔여 오프-상태 지연보다 높은 선형 지연을 보이는 트림 지연기를 제공하는 것이 보다 일반적이다. 예를 들어, 수직 입사 (λ=550nm)시 선형 지연 2 nm를 보이는 수직 정렬 네마틱 (VAN) LCoS를 보상하도록 5 mn (λ=550nm)의 선형 지연을 갖는 트림 지연기가 제공 될 수 있다.

이 분야의 당업자에게 알려진 바와 같이, 이러한 선형 지연의 미스매치 (mismatch)는 상술한 수직 교차 축 구성과 관련해, 트림 지연기(21a-c)의 광 축 보상을 필요로 한다. 달리 말해, 트림 지연기는 컨트라스트 비율의 증가가 실험적으로 보여질 때까지 교차 축 구성 (crossed-axes configuration)으로부터 그 방위각 방향을 회전함으로써 기계적으로 '클럭-인 (clocked-in)' 된다. 이러한 실질적 어셈블리가 도 2에 도시되어 있다. LCoS 슬로우 축이 제2사분면 상에서 검은 화살표(61)로 표시되며, +X 축 (우측 XYZ 좌표계, RH-XYZ)에 대해 62로 표시되는 방위 각을 가진다. 패널의 슬로우 축은 통상적으로, S 축 및 P 축의 2등분선과 실질적으로 나란한 방향이 되는데, 이것은 VAN-LCoS 패널이 효율적 전기 제어 복굴절 (ECB, electrically-controlled birefringence) 장치로서 사용되어야 할 때 중요한 것이 된다. 트림 지연기는 그것의 슬로우 축이, 이웃하는 사분면 상에서 정렬되게 한다. 언 클락 (un-clocked) 위치에서, 슬로우 축(63)은 S 및 P 편극 축들을 이등분한다 (즉, P 편극이 0°/180°와 나란하고 S 편극이 ±90°와 나란할 때 슬로우 축은 ±45°및 ±135°에 존재). 클록킹 (clocking) 후 슬로우 축은 약 ±22°정도 회전한 것으로 보여진다 (예를 들어, z 축을 중심으로 회전함,

).

트림 지연기를 제조하기 위해 다양한 기술들이 사용되어 왔다. 예를 들어, 트림 지연기들을 만드는데 사용되는 재료의 몇 가지 예들에, PVA (polyvinylalcohol)이나 PC (polycarbonate) 필름들 같은, 단일 축 방향으로 (uniaxially) 뻗은 폴리머 필름들, 단일 축 방향으로 정렬된 액정 폴리머 (LCP, liquid crystal polymer) 물질의 필름들, 셀룰로스 아세테이트 (cellulose acetate) 같은 비-틸트형 (non-tilted) 2축성 유기 호일 (biaxial organic foils), 분자구조상 복굴절의 무기 결정질, 및 무기 박막 필름들을 포함한다.

대부분의 종래 기술하에서, 트림 지연기들은 순수 영차 (true zero-order) 트림 지연기들이다. 예를 들어, 트림 지연기들은 주로, 상대적으로 저 규모의 지연을 제공하도록 뻗쳐 있는 폴리머 필름들로부터 제조된다. 그러나, 어떤 무기 결정질 및/또는 LCP 물질들 같은 상대적으로 높은 복굴절을 가진 재료에 있어서, 순수 영차 지연기를 만드는 것은 어려운 일이다. 이를테면, 가시 영역에서 약 10 nm의 선형 지연을 가진 영차 트림 지연기를 제조하러면, 석영 파동 기판 (quarts wave plate) (A-기판으로 구성되고, 550 nm에서 0.009의 복굴절을 가짐)은 대략 1.1 미크론의 두께가 되어야 할 것이다. 영차 1/4 파동 (quarter-wave) 기판으로 구성된 비슷한 석영 기판조차도 10-20 nm 미크론 두께를 요한다. 실제로, 약 100 미크론 미만의 물리적 두께까지 복굴절 결정을 연마하는 것은 매우 어렵다 (예를 들어, 이들은 너무 얇아서 용이한 제조 및 취급이 불가하다).

높은 복굴절을 가진 물질로 적당한 저 규모 지연 트림 지연기를 제조하기 위한 한가지 방법이 이중-레이어 (dual-layer) 구성을 이용하는 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서 서로 다른 크기의 선형 지연을 가지는 두 복굴절 결정 기판들은 의사 (pseudo) 영차 지연기를 형성하기 위한 교차 축 (crossed-axes) 구성에 적응되어 있다. 사실상, 상용 1/4 파동 기판들은 보통, 서로에 대해 실질적으로 직교하 는 방향으로 된 슬로우 축들을 갖는 두 개의 석영 기판들을 코팅하여 제조되며, 그 두 기판들의 두께 차가 영차 1/4 파동 지연을 만든다.

슬로우 지연을 제공하는 또 다른 방식이, 다차 (multiple-order) 트림 지연기를 사용하는 것이다. 예를 들어, 1영차 1/4 파동 지연기 (가령, 5.25 파동들)은 영차 1/4 파동 지연기 (가령, 0.25 파동)와 유사하게 작동할 것이다. 다차 지연기들의 클로킹 특성이 이들의 영차 상대들과 유사할 수 있다는 결과가 보여져 왔으나, 그들은 높은 분산특성으로 인해 이상적인 트림 지연기 어플리케이션이 되지 못한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이, 0.25 파동 석영 지연기와 5.25 파동 석영 지연기의 파장의 함수인 이론상의 선형 지연 (수직 입사시)을 고려할 수 있다. 석영 지연기들이 녹색-대역 (가령, 전체 가시 대역 대신)에서 활용된다고 가정할 때, 시뮬레이션 결과는, 다차 1/4 파동 기판의 실 지연 (net retardance)이 설계 파장 너머에서 최적 컨트라스트 보상을 허용하지 않는다는 것을 명확히 가리킨다. 사실, 1차 1/4 파동 기판 (즉, 0.75)조차도 상대적으로 큰 지연 분산을 가진다고 예상된다 (미도시). 주목할 것은, 큰 지연 분산이, 주어진 대역 내에서 모든 파장 채널들이 다, LCoS 슬로우 축 및 시스템 S- 및 P-평면 관련 공통 지연기 슬로우 축 정렬에 따라 알맞게 보상될 수 있는 것은 아님을 의미한다는 사실이다.

Schmidt 등에게 부여한 미국 특허 5,576,854에서, 컨트라스트 보상은 대략 1/4 파동 지연기 (가령, 0.27 파동들)를 가지고 주어진다. 더 상세히 말하면, 1/4 파동 지연 (가령, 0.25)이 MacNeille 편극 빔 스플리터 (PBS, polarization beam-splitter)의 비축면광선 (skew ray) 편극소거 (depolarization)를 보상하는데 사용 되는 한편, 1/4 파동을 넘는 추가 지연 (가령, 0.02 파동)은 LCD 패널에서의 복굴절 보상에 사용된다. 공교롭게도, WGP 기반 편극 빔 스플리터 장치들에 대한 보상기 요건들이 MacNeille PBS에 기반한 것들과는 크게 다르기 때문에, 이러한 접근 방식은 WGP-기반 LcoS 마이크로 디스플레이 프로젝션 시스템의 컨트라스트 보상에 대한 성공적인 해법을 제시하지 못하고 있다. 사실, 미국 특허 6,909,473에서, 성능 결과치들은, 대략 한 1/4 파동 기판 보상기의 사용이 심지어 WGP 기반 LcoS 마이크로 디스플레이 시스템들에서의 컨트라스트를 저하시킬 수 있다는 것을 보인다는 것을 언급하고 있다.

WO 01/79921 A2에서, Candee 등도 MacNeille PBS 프리즘들의 비축면 광선 보상을 지원하기 위해 1/4 파동 기판 사용을 제안하고 있다. 그 외에, Candee 등은 반사 패널의 잔여 오프 상태 복굴절을 보상하기 위한 두 가지 상이한 실시예들을 제안하고 있다. 제1실시예에서, 상술한 1/4 파동 기판은 다소 어긋하여 배치된다. 제2실시예에서는, 추가 1/4 파동 기판 또는 추가 반 (half) 파동 기판dl 어긋하여 배치된다. 더 구체적으로 말하면, 제2 1/4 파동 기판 또는 반 파동 기판의 방위는 이미지 패널의 주요 좌표 평면 (광학 시스템의 S- 및 P-평면 역시도)으로부터 다소 이동되어 있다. 주목할 것은, 이러한 접근 방식 역시 WGP 기반 LcoS 마이크로 디스플레이 시스템들에서의 컨트라스트 보상에 대한 성공적 해법을 제시한다고는 예상되지 않는다는 것이다. 예를 들어, 상술한 바와 같이, 1/4 파동 기판의 사용은 WGP 기반 LcoS 마이크로 디스플레이 시스템들에서의 빈약한 성능과 결부되고, 반면 반 파동 기판의 사용은, 결과적인 순차적 컨트라스트 (풀 온/풀 오프)에 부정적 영 향을 미치고 시스템 처리율이 저하될 정도로 패널 온-상태 밝기 (brightness)가 떨어지게 만들게 된다. 또, 제2반 파동 기판을 S- 및 P-축으로부터 제2 1/4 파동 기판 오프셋 각도의 약 절반에 맞추는 것은 효과가 없다.

WGP 기반 LcoS 마이크로 디스플레이 시스템들에 대해 향상된 트림 지연기 (trim retarder)를 제공하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명의 목적은 WGP 기반 LcoS 마이크로 디스플레이 시스템들에 대해 향상된 트림 지연기 (trim retarder)를 제공하는 데 있다.

본 발명은 액정 디스플레이 (LCD) 프로젝트 시스템들에서의 컨트라스트 (contrast) 보상에 관한 것으로, LCD는 오프-상태 (off-state)에서 소규모의 잔여 (residual) 평면 내 (in-plane) 지연을 보인다. 컨트라스트 보상은 근 영차 (near zero-order) 반 파동 (half-wave) 지연기를 이용해 주어진다. 바람직하게도, 근 영차 반 파동 지연기는 WGP 기반 LCoS 프로젝션 시스템들에서의 온-상태 (on-state)를 뚜렷이 손상시키지 않으면서 최적의 다크-상태 (dark-state) 교차 편극 출력을 산출한다. 또, 근 반 파동 지연기는 관리 가능한 두께 편차의 단일 레이어 복굴절 결정을 이용해 용이하게 제조된다. 그 외에, 근 반 파동 지연기는 종래의 소규모 트림 지연기들에 필적할 만한 각 감도 (angular sensitivity)를 보인다.

본 발명의 한 양태에 따른 액정 디스플레이 프로젝션 시스템은, 소정 파장에서 잔여 오프-상태 복굴절을 갖는 반사형 액정 디스플레이 패널; 및 상기 반사형 액정 디스플레이 패널의 잔여 오프-상태 복굴절을 보상하고, 액정 디스플레이 프로젝션 시스템의 온-상태/오프-상태 컨트라스트 비율을 증기시키기 위한 트림 지연기 (trim retarder)를 포함하고, 상기 트림 지연기는, 상기 잔여 오프-상태 복굴절의 평면-내 (in-plane) 성분을 보상하기 위한 평면-내 지연기를 가진 단일-레이어 지연기 요소를 포함하고, 평면-내 지연은 소정 파장의 반 파동 (half-wave)에서 소정 크기만큼 이동하고, 그 소정 크기는 소정 파장의 약 0.15 파동 미만이다.

본 발명의 한 양태에 따른, 액정 디스플레이 프로젝션 시스템에서의 컨트라스트 비율을 개선하는 방법은, 액정 디스플레이 프로젝션 시스템 내 반사형 액정 디스플레이 패널의 잔여 오프-상태 복굴절을 보상하기 위한 트림 지연기를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 트림 지연기는, 상기 잔여 오프-상태 복굴절의 평면-내 (in-plane) 성분을 보상하기 위한 평면-내 지연기를 가진 단일-레이어 지연기 요소를 포함하고, 평면-내 지연은 소정 파장의 반 파동 (half-wave)에서 소정 크기만큼 이동하고, 그 소정 크기는 소정 파장의 약 0.15 파동 미만이다.

본 발명의 다른 한 양태에 따른, 액정 디스플레이 프로젝션 시스템의 컨트라스트 비율을 개선하기 위한 방법은, 액정 디스플레이 프로젝션 시스템 내 반사형 액정 디스플레이 패널의 잔여 오프-상태 복굴절을 판단하는 단계; 잔여 오프-상태 지연을 보상하고, 액정 디스플레이 프로젝션 시스템의 온-상태/오프-상태 컨트라스트 비율을 증가시키기 위한 제1평면-내 지연을 결정하는 단계; 및 액정 디스플레이 프로젝션 시스템에 트림 지연기를 위치시키는 단계를 포함하고, 상기 트림 지연기는, 반 파동 플러스 제1평면-내 지연과, 반-파동 마이너스 제1평면-내 지연 중 하나와 실질적으로 동일한 제2평면-내 지연을 가진 단일-레이어 지연기 소자를 포함하고, 상기 제1 및 제2평면-내 지연들은 전자기 스펙트럼의 가시 영역 내 동일한 파장에서 결정된다.

본 발명에 따르면, WGP 기반 LcoS 마이크로 디스플레이 시스템들에 대해 향상된 트림 지연기 (trim retarder)를 제공함으로써, 최적의 다크-상태 (dark-state) 교차 편극 출력을 산출할 수 있고, 또한 상기 트림 지연기는 제조가 용이하도록 구성될 수 있다.

WGP 기반 LCoS 마이크로 디스플레이 시스템을 위한 개선된 트림 지연기를 제공하기 위해, 트림 지연기들의 몇몇 선호되는 특성들을 살펴볼 필요가 있다. 이상적으로, 트림 지연기는 (a) 광 오프-상태에서 극도로 낮은 교차-편극 (crossed-polarization) 누설을 생기게 하고; (b) 보상된 패널 대 미보상 패널의 광 온-상태에서 거의 변화지 않은 교차-편극 출력을 내고; (c) 초기 배열 (즉, 클로킹이 필요로 될 때) 및 장기 배열 드리프트에 대해 양호한 기계적 클로킹 감도를 보이고; (d) 주어진 적, 녹, 청색 대역 또는 전 가시 파장 대역에 걸쳐 온-상태 강도 대 오프-상태 강도에 대한 높은 컨트라스트 비율을 제공하고; (d) 양호한 지연 정도 및 방위 균일성을 보일 수 있어야 한다.

또, 평면-내 지연을 제공하는 것 외에, 트림 지연기는 평면-외 지연을 제공함이 바람직할 수 있다. 평면-내 지연이 보통 A-기판 (즉, 기판의 평면에 나란하게 놓인 이상축을 가진 광 지연 소자)을 통해 지원되는 반면, 평면-외 지연은 보통 C-기판 (즉, 기판의 평면에 수직으로 sgh은 이상축을 가진 광 지연 소자)을 통해 주어진다. C-기판은 수직 입사 광선들에 대한 어떠한 실 지연 (net retardance)도 제공하지 않지만 (즉 수직 입사 광은 복굴절에 의해 영향을 받지 않는다), 축을 벗어나 (즉, 이상축에 대한 각도로) 입사되는 광선들은 입사 각도에 비례하는 실 지연을 겪는다. 그에 따라, 평면 밖 지연은 보통 LCoS 패널들의 가시계 (filed of view)를 증가시키는데 기여한다. C-기판은, 입사각과 함께 지연이 증가하면 포지티브로 간주되고, 입사각과 함께 지연이 감소하면 네거티브라고 간주된다. 이와 달리, C-기판이, 지연 곱 △nd이 네거티브일 때 (가령, n_e-n_o가 네거티브) 네거티브로 간주되기도 한다. 수직 배열 네마틱 (VAN, vertically aligned nematic) 모드 LCoS 패널들은 통상적으로 +C 기판들로서 기능하므로, 대응되는 트림 지연기들이 잔여 오프-상태 평면-내 지연 (즉, A-기판 지연)을 보상하는 A-기판 컴포넌트, 및 네거티브 평면-외 지연 (즉, -C-기판 지연)을 보상하기 위한 C-기판 컴포넌트 모두를 포함하는 것이 일반적이다. 그 결과에 따른 풀-기능 트림 지연기들을 편리하게 A/-C 기판 트림 지연기들로 부른다.

상술한 바와 같이, WGP 기반 LCoS 마이크로 디스플레이 시스템들의 컨트라스트 보상에 적합한 A-기판 지연을 제공하는데 사용될 수 있고, 상술한 요건에 크게 부합하는 여러 가지 재료들이 존재한다. 예를 들어, 가시 파장 대역 안에서 10 내지 30nm 지연을 제공하는 트림 지연기들은 다양한 증착 (deposition) 방식들을 이용해 제조되어 왔다. 이러한 박막 레이어 구조들은 클로킹에 대한 양호한 방위 무감각을 유지하면서 넓은 대역에 걸쳐 높은 컨트라스트 결과들을 제공한다는 것을 보여 주었다. 트림 지연기들을 제조하는 데 있어 매우 높은 잠재성을 보이는 재료 가, 분자구조의 복굴절 무기 결정 (molecularly birefringent inorganic crystal)이다. 디지털 시네마 프로젝션과 같이 높은 광 플럭스 (light flux) 프로젝터 어플리케이션들에 무기 복굴절 결정을 이용하는 것은, 높은 광 플럭스 상황에 노출시 그것의 높은 내구성 및/또는 안정적 복굴절로 인해, 이점이 있다. 공교롭게도, 현재의 그라인딩 (grinding) 및 연마 (polishing) 기술들은 듀얼-레이어 구성에 사용되지 않으면 저에서 중 정도의 영차 지연을 가진 복굴절 결정들을 제공하기 어렵기 때문에, 이들을 트림 지연기들로서 사용하는 것은 성립되지 않았다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 대략 판 파동 기판 (HWP, half-wave plate)로 구성된 상대적으로 높은 복굴절 물질 (가령, 복굴절 무기 결정 또는 LCP 레이어)로부터 제조된 트림 지연기가 WGP-기반 LCoS 마이크로 디스플레이 시스템의 컨트라스트 보상에 사용된다. 트림 지연기는 전자기 스펙트럼의 가시 여역에서 대략 반-파동 지연을 제공하도록 설계되기 때문에, 트림 지연기를 제조 및/또는 취급하기가 보다 용이하게 된다. 또, 트림 지연기가 대략 편극 반-파동 지연 (zero-order half-wave retardance)을 제공하므로 (즉, 다차 (multi-order) 지연기가 아니므로), 그것은 적, 녹, 및/또는 청색 대역들에 걸쳐 그다지 분산되지 않는다 (즉, 가시 영역 상에서의 대량 분산과 관계없다).

대략 반-파동 지연기를 트림 지연기로서 사용하는 것을 더 이해하려면, 도 4에 도시된 일반적인 지연기 솔루션 스페이스를 검토할 수 있다. 이 도면을 참조할 때, 광학 지연기는 순수한 편극 지연기(50) (가령, 복굴절 컨트라스트 개선기 (BCE0)라고 칭함) 일차 지연기(51) (가령, BCE1으로 칭함), 또는 이차 지연기(52) (가령, BCE2로 칭함)로서 제조될 때 약 0.055 파동 지연에 상응하는 것을 제공할 것이라는 것이 분명하다. 0.055 파동 지연은 입사광이 550mn에 해당하는 파장 λ를 가질 때 약 30nm의 지연에 해당한다는 것을 알아야 한다 (가령, 녹색 대역에 사용되는 VAN-모드 LCoS 패널의 오프-상태 지연인 통상적 2nm를 보상하는데 매우 적합한 값). 도 4은 또 영차 1/4 파동 기판 솔루션(53) (가령, QWP0로 칭함) 및 일차 1/4 파동 기판 솔루션(54) (가령, QWP1으로 칭함)을 보인다. 상술한 바와 같이, 그리고 다시 아래에서 설명하겠지만, 1/4 파동 기판 (QWP, quarter-wave plate) 솔루션들은 WGP-기반 LCoS 마이크로 디스플레이 시스템들의 컨트라스트 보상에 사용하기에 그리 이상적이지는 않다. 또, 도 4는 두 개의 근 반-파동 기판 지연기들(55, 56)의 솔루션들을 보이고 있다. 예시할 목적으로, 편극 지연 스페이스(55)에 자리한 상기 근 HWP 솔루션은 HWP-마이너스 (HWPm)으로 부르는 한편, 일차 지연 스페이스(56)에 자리한 솔루션은 HWP-플러스 (HWPp)로 부른다. 이 예에서, 두 근 HWP 솔루션들(55, 56)은 모두 HWP 지연으로부터 약 0.055 파동 지연이라는 차를 가진다 (이를테면, 약 0.45 또는 0.55 파동 기판에 해당한다).

근 반-파동 트림 지연기의 오프-상태 및 온-상태 특성들을 평가하기 위해, 전기-광학 (EO, electro-optic) 곡선이 사용된다. VAN-모드 LCoS 패널은 일정 범위의 전압 (즉, 온-상태 LCoS 전압은 5V 이상이고, 오프-상태 전압은 1.2V)으로 구동되었고, 정규화된 반사율이 유효 LCoS 평면-내 지연으로 전환되었다. 근사치로서, 그 유효 평면-내 지연은 수직 입사시 λ=550nm에서 아래의 식을 이용해 추정되었다:

는 주어진 전압에서의 VAN-LCoS 패널의 단일-패스 지연이고, λ는 광 파장이고,

는 P-편극에 대한 슬로우 축의 방향 (즉,

=45도)이다. 추정된 패널 평면-내 지연은 도 5에 그려지고 있다.

도 6을 참조하면, 온-상태 (가령, 왼쪽 그래프) 및 오프-상태 (가령, 오른쪽 곡선)에 대한, λ=550nnm에서의 보상/미보상 VAN-모드 LCoS 패널의 전송이 보여진다. 보상된 결과들은 30 nm 지연을 발생하는 BCE (가령, BCE0), 137.5 nm 지연을 발생하는 1/4 파동 기판 (가령, QWP0), 245 nm 지연을 발생하는 근 반 파동 기판 (가령, HWP-마이너스), 및 305 nm 지연을 발생하는 근 반 파동 기판 (가령, HWP-플러스)를 이용해 산출되었다. 일련의 이상적 교차 편광기들을 통한 미보상 패널 반사율 (더블 패스 전송)이 점선 마크들이 있는 두꺼운 곡선으로서 보여진다. 약 0.13에서의 정규화된 오프-상태 반사도는 미보상 패널에 대해 740:1의 추정 컨트라스트 비율을 제공한다. 소 규모 지연기 보상 패널 BCE를 이용할 때, 요구된 전압 (가령, 1.2V)에서의 다크-상태 누설은 이론적으로 0이다. 실제상에서는, 원추형 이펙트 및 비이상적 교차 축 편광기들이 BCE 보상된 VAN-모드 패널을 시스템 베이스라인 컨트라스트로 저하시킨다. 주목할 것은, BCE 지연기뿐 아니라 QWP, HWP-마 이너스 및 HWP-플러스 지연기들도 패널 오프-상태를 보상하는 것으로 보인다는 것이다. 다크-상태 반사 곡선들에서의 (가령, 약 1.2V에서) "노치 (notch)"는 지연기 보상기들 각각에 대한 작용점 (operation point)에 해당한다.

미보상 패널의 온-상태 반사도는 약 5.2V 전압 구동시 최대치에 도달한다. BCE 또는 QWP 보상된 패널 시스템에서, 최대 반사도에 도달하는데 필요로 되는 전압은 약간 증가 된다 (가령, 5.35V). 이것은 통상적인 패널 동작에서 발견되는 감마 (Gamma) 정정에 의해 최적화될 수 있다. HWP-마이너스나 HWP-플러스 지연기 보상기의 이용이, 다소 더 낮은 온-상태 최대 반사도를 파생한다. HWP 조건으로부터 30nm 오프셋의 경우, 처리율 감소는 약 4.5%가 된다 (이를테면, 약 95.5%의 정규화된 반사도에 이른다). 이러한 밝기 손실은 온-상태의 지연기/패널 복굴절 인터랙션 (interaction)에 기인하며, 추가적인 광학 컴포넌트로 인한 흡수 및 반사의 삽입 손실을 포함하지 않은 것이다.

트림 지연기 슬로우 축 대 시스템 'S' 및 'P' 축들의 기계적 클로킹 (및 그에 따른 패널 슬로우-축)이 보통 상용 LCD 광 엔진 어셈블리에 대해 구현되기 때문에, 트림 지연기의 중요한 한 특징이 튜닝 범위가 된다 (가령, 이상적 트림 지연기는 상대적으로 넓은 튜닝 범위를 가질 것이다, 달리 말해, 우수한 기계적 클로킹 둔감성을 보일 것이다). 도 7은 λ=550nm에서 보상된 VAN-모드 패널들의 온-상태 전송 (최상위 그래프), 오프-상태 전송 (중간 그래프), 및 그 결과에 의한 컨트라스트 비율 (하위 그래프)의 방위 각 민감도를 예시한 것이다. 더 구체적으로 말하면, 도 7은 최적 클로킹 된 트림 지연기 슬로우 축 위치로부터의 클로킹 각 함수로 서 산출된 컨트라스트 비율을 예시한다 (즉, 그것은 135도 방향의 슬로우 축을 갖는 2nm VAN-패널 지연에 대한, BCE0 및 HWP-마이너스에 대해 약 3도, QWP0에 대해 1도, HWP-플러스에 대해 3도).

최상위에 있는 그래프를 참조하면, BCE 및 QWP 보상된 패널들은 온 상태에서 ±3도에 걸쳐 지연기 슬로우 축 클로킹에 대한 평평하고 대칭적인 응답을 보인다. 중간 그래프를 보면, QWP 보상된 패널의 반사도는 오프-상태에서 각 튜닝을 통해 더 바뀌는 것으로 보인다. 그에 따른 컨트라스트 튜닝 곡선들은, BCE 보상된 패널이 FWHM (즉, full-width half-maximum 또는 50% 컨트라스트 대역폭)의 약 1.7도를 제공하는 반면, QWP 보상된 패널은 그만큼의 컨트라스트 대역폭의 약 1/3만을 발생한다 (이를테면, 약 0.57도). 달리 말하면, QWP 보상된 광 엔진 시스템은 지연기 요소 대 BCE-보상된 LCD 시스템의 각(angular) 드리프트에 대해 3배 민감한 것으로 산정된다. 이것은 중대한 결함이다. 사실, 종래 기술이 대략 1/4 파동 지연기를 가지고 품질 보장 컨트라스트 보상을 제공하는 데 실패했던 이유들 중 하나가 1/4 파동 기판의 낮은 기계 각도 튜닝 편차 (low mechanical angle tuning tolerance)라는 것이 통념이다. 즉, 1/4 파동 기판이나 근 1/4 파동 기판은 그 클로킹 동작에 있어 극도로 민감하다.

BCE 및 QWP와 비교할 때, HWP-마이너스 및 HWP-플러스 지연기 보상기들은 모두 광 온-상태에서의 각도 튜닝에 반응하여 다소 비대칭적으로 된다는 것이 보여진다. 한편, HWP-마이너스 및 HWP-플러스 지연기 보상기들 둘 모두에 대한 오프-상태 패널 반사는 BCE/패널 반사에 대해 거의 이상적으로 된다. 사실, 이들 두 대 규모 지연기들에 대한 관련 컨트라스트 대역폭은 거의 BCE-보상된 LCD 시스템들과 같은 것으로 보인다 (이를테면, 약 1.65도 FWHM에서). 즉, 이 대규모 지연기들은 소규모 BCE와 거의 같은 튜닝 감도를 보인다. 이들 대규모 지연기들의 온-상태 광 처리율이 대응하는 BCE 또는 QWP 지연기 보상된 LCD 시스템보다 단지 수 퍼센트 더 악화될 뿐이므로, LCD 패널에 대한 보상기로서, QWP 지연기가 아닌 HWP-마이너스나 HWP-플러스 지연기를 사용하는 것이 바람직한 것으로 보이며, 지연기/패널의 상대적 각도 클로킹은 가령 광학 어셈블리의 온도 드리프트에 의해 디튜닝된다.

보상기 지연이 QWP 규모를 초과해 HWP의 것으로 근접하므로, 보상기의 최적 지연기 축들 (패스트 및 슬로우)은 S- 및 P-축들로부터 훨씬 더 많이 이탈하기 시작한다는 것에 주목해야 한다. 이것은 HWP 축들이 QWP 지연기 축들보다 S- 및 P-축들에 더 가까운 WO 01/79921 A2에서 가르친 것과는 반대이다. 여기 개시된 반사형 LCoS 프로젝션 시스템에서, QWP 지연기 보상기는 이중 통과되어, 반사시 반 파동 네트 (net) 지연을 만든다. 결과적으로, 이 QWP 지연기는 P 또는 X 축으로부터의 작은 오프셋 각도를 가지고 정렬되어야 한다. 이것이 저규모 패널 잔여 지연을 보상하기 위한 유효 지연으로서, 더블 패스 전송시 반 파동 지연의 작은 일부를 양산한다. 지연기 보상기가 단일 패스시 QWP보다 약간 더 큰 규모일 때, 더블-패스 지연은 반 파동보다 크게 된다. 패널 보상에 대해 같은 유효 지연을 도출하기 위해, P 또는 S 축으로부터, 단일 패스시의 HWP보다는 작지만, QWP보다는 큰 지연을 갖는 지연기 보상기의 이탈 각도는 증가 되어야 한다.

도 8은 VAN 모드 LCoS 패널의 슬로우 축이 135도에 위치할 때, 트림 지연기 의 슬로우 축 방위 위치에 대해 그려지는 550 nm에서 산정된 패널 컨트라스트를 보인다 (반시계 방향 (CCW)이 포지티브 방위각이 되는, 공통 X 축이 기준이 됨). 더 구체적으로 말하면, 도 8은 컨트라스트 튜닝 대, 공통 X 축을 기준으로 하는 지연기 보상기 슬로우 축을 보인다. 550 nm에서 30nm의 지연을 가진 소규모 보상기 BCE는 약 3도에서 최적의 축 정렬을 하게 된다 (즉, 클로킹 각은 -42도). HWP-마이너스 보상기 (HWP-30nm)는 거의 소규모 보상기 BCE와 동일한 최적의 축 정렬을 보인다. QWP 보상기는 제1편극 축 (가령, P-편극)에 가장 가깝게 정렬된 슬로우/패스트 축들을 가지고, 가장 심각한 클로킹 감도를 발생시킨다. HPW -플러스는 LCoS 슬로우 축과 동일한 (또는 대각방향으로 정반대인) 사분면에 정렬되는 최적 축들을 가지며, 이러한 것은 1차 파동 기판 효과로부터 자연스럽게 따라온다. 도 8에 도시된 것들과 약 ±45도 축 미러링 된 (mirrored) 방위 각들인 다른 최족 슬로우 축 방위들 (가령, 로컬 컨트라스트 최대치들 또는 최소치들)이 있다는 것 역시 주지해야 한다. 이러한 다른 경우들에서, 최적의 컨트라스트 최대치 포인트들은 제2편극 축 (S-편극, 또는 Y 축)과 이웃해 있다.

녹색 채널 상에서 산정된 네 가지 보상들 (가령, BCE, QWP, HWP-마이너스, 및 HWP-플러스)에 대한 선형 지연이 도 9에 도시된다. 일차 지연 영역에 있는 HWP-플러스 지연기는 세 개의 영차 지연기들보다 가파른 경사를 가진 지연 스펙트럼 (영차에 대해 래핑 (wrapped) 된 것으로 보여지는 위상 지연)을 갖는다. 한편, 세 개의 편극 지연기들의 선형 지연 스펙트럼은, 녹색 대역에서 100nm에 걸쳐 있는 각각의 보상 유효성이 최고 컨트라스트의 1.5% 안에 있다는 것을 보인다. 사실상, BCE나 QWP에 의해 보상된 패널은 실질적으로 납작한 컨트라스트 스펙트럼을 가진다. 주목할 것은, HWP-마이너스 및 HWP-플러스 지연기들이 녹색 대역 에지 (edge)에서 (가령, 설계 파장으로부터 ±50 nm) 약 1.5% 더 낮은 컨트라스트를 만든다는 것이다.

(즉, 도 8에 예시된 최대 컨트라스트에 대해) 최적 클로킹된 지연기를 가지고 보상된 VAN-모드 LCoS 패널의 컨트라스트 산정 비율이 도 10에 도시된다. 제1 BCE (가령, BCE1)와 제2BCE(가령, BCE2)를 이용해 보상된 패널의 컨트라스트 스펙트럼 역시 같은 그래프에 도시됨을 주지해야 할 것이다. 완전 (full) 파동 기판에 가까운 큰 보상기 지연 및 이 경우의 패널 지연의 분산 (dispersion)이 대역 가장자리들에서 약 7% 컨트라스트 저하를 야기하나, 그것은 BCE1 및 BCE2의 분산보다 큰 것이 아니다. 사실, 대규모 지연기들 (가령, HWP-마이너스 및/또는 HWP-플러스)은 소규모 BCE 지연기에 비해 통상적인 가시 파장 채널에 걸쳐 분명한 컨트라스트 저하를 일으키지는 않아 보인다.

주목할 것은, 대규모 지연기 보상기들 (가령, HWP-마이너스 및/또는 HWP-플러스)이 BCE0 및 QWP0 보상기들에 비해 다소 저하된 컨트라스트 보상을 제공하지만 (가령, 도 8 참조), 이들은 QWP0 보상기 만큼 클로킹 각도에 대해 민감하지 않다는 것이다 (가령, 도 7 참조). 저규모 지연기 BCE0는 위에서 논의한 바와 같이, 높은 컨트라스트 보상 및 양호한 클로킹 감도를 제공하지만, 통상적으로 낮은 복굴절 물질들로서 제조되거나 증착 및/또는 스트레칭 기술들로써 제조되는 것에 한정된다.

대규모 지연기들 (가령, HWP-마이너스 및/또는 HWP-플러스)은 높은 복굴절을 가진 재료들을 이용해 편극 지연기들로서 쉽게 제조된다는 것이 장점이다. 따라서, 높은 광 플럭스 조건하에서 내구성이 있고 안정적이라고 알려진 석영 (quartz) 같은 무기 복굴절 결정들로부터 거의 반 파동 지연기들이 제조될 수 있다. 또, 현재의 그라인딩 및 연마 기술들이 사용되어 합당한 두께 편차를 가진 편극 지연기로서 거의 반 파동 결정 기판을 제조할 수 있다.

편극의 대략 반 파동 석영 지연기의 두께 편차는 단일 레이어 석영 구조로 제조된 소규모 지연기 BCE0보다 훨씬 더 높다는 것에 주목해야 한다. 예를 들어, ±3% (±3σ 범위를 포함)의 석영 레이어 두께 편차를 가정함에 따라, 요청되는 두께 변이는 소규모 BCE0 석영 지연기에 있어 ±0.1㎛ 안에 있게 된다. 한편, Γ=245nm HWP-마이너스 및 Γ=305nm HWP-플러스 단일 레이어 대규모 석영 지연기는 약 ±0.8㎛ 및 ±1㎛ 두께 편차를 가질 것이다 (동일한 ±3% 두께 편차 및 명목 목표를 전제할 때). 따라서, 단일-레이어 대형 지연기 편차는 소규모 편극 BCE 지연기에 비해 약 8배에서 10배가 더 우수하다고 예상할 수 있다.

도 11은 다양한 지연기들의 3% 두께의 편차를 예시한 것이다. 각 그래프에 있어서, 컨트라스트는 녹색 대역 (가령, 500nm, 550nm, 및 600nm)에서 세 가지 서로 다른 파장들에서 500개의 정상 분포된 두께 값들 (±0.1%)에 대해 시뮬레이션 되었다. Γ=30nm BCE 지연기가 납작한 컨트라스트 응답 대 파장 (가령, 도 10 참조) 특성을 가지므로, 무작위로 생성된 그것의 1500개의 두께 값들은 명목상 10,000:1에 가까운 컨트라스트 값들 (가령, 최대 시스템 컨트라스트)을 파생한다. ±3% 두께 변이를 갖는 QWP 지연기는 최적에 가까운 컨트라스트를 제공하지만, 파 장 배치에 대응되는 세 가지 상이한 대역들이 존재한다. ±3% 두께 편차를 갖는 HWP-마이너스 및 HWP-플러스의 사용이 시뮬레이션 되어, 거의 최적 컨트라스트의 95%를 만들어냈다. 비교시, 두 개의 서로 다른 대형 지연기들인 일차 및 이차 BCE는 동일한 ±3% 두께 편차를 가지고 최대 15%까지의 컨트라스트 저하를 야기한다. 주목할 것은, HWP-마이너스 및 HWP-플러스 지연기들의 ±3% 두께 편차는 허용가능한 컨트라스트 변이를 일으키며, 또 마이크로 제조 기술에 의해 취급가능한 약 ±0.8㎛ 내지 ±1.0㎛에서 절대적인 물리적 두께 편차를 제공한다.

대규모 HWP-마이너스 및 HWP-플러스 지연기들이 우수한 튜닝 각도 감도를 제공한다는 것이 추가적인 장점이다. 특히, 이 각도 튜닝 특성들은 BCE0에 필적 될 수 있다. 예를 들어, 지연기/패널 슬로우 축들이 최적 컨트라스트 포인트로부터 겨우 0.1도 만큼 디튜닝될 때 (즉, 지연기 슬로우 축은 고정된 0.1도만큼 클로킹 된다), 도 12에 도시된, 보상된 VAN-모드 LCoS 패널의 컨트라스트 스펙트럼 모델을 고려할 수 있다. 이 결과에서, VAN-모드 LCoS 패널은 550mn에서 2 nm의 오프-상태 지연을 보인다. BCE, HWP-마이너스 및 HWP-플러스 지연기들로 보상된 디스플레이 패널은 이러한 클로킹 조건하에서 최적 컨트라스트 포인트로부터 약 1% 내지 2%의 컨트라스트 저하를 일으킨다. 한편, QWP 지연기로 보상된 디스플레이 패널의 컨트라스트는 녹색 대역에 걸쳐 약 9% 내지 10% 정도 떨어진다. 지연기/패널 슬로우 축들이 0.2도만큼 디튜닝될 때, BCE, HWP-마이너스 및 HWP-플러스 지연기들은 약 5%의 컨트라스트 저하를 초래하는 반면, QWP 지연기는 약 30% 급락을 일으킨다.

분명한 것은, BCE0 같은 소규모 지연기가 컨트라스트 및 방위각 감도와 관련 해 LCoS 패널의 잔여 오프-상태 패널 지연을 보상하는데 이상적이라면, 근 반 파동 지연기들 (가령, HWP-마이너스 및/또는 HWP-플러스)은 컨트라스트, 방위각 감도, 및 적절한 재료들/제조 기술들 사이에서 합리적인 타협점을 제공한다. 특히, 근 반 파동 지연기는 실질적으로 BCE의 컨트라스트 튜닝 둔감성을 유지하면서 수 퍼센트의 허용가능한 온-상태 처리율 손실을 갖는 큰 두께 편차를 허용한다. 높은 프럭스 패널 시스템에 있어서, 고체 복굴절 결정들의 그라인딩 및 연마가 이용되어 지연기 보상기들을 제조하도록 될 때, 근 HWP 지연기는 가격면에서 가장 저렴하면서 BCE0와 유사하게 높은 컨트라스트 요구 성능을 제공한다. 또, 단일 지연기 레이어를 이용함으로써, 보통 다층 레이어 각도-오프셋 지연기 보상기에서 발견되는 원형 지체의 존재에 의해 전반적인 시스템 컨트라스트가 손상되지 않는다.

이러한 결과에서 주목할 것은, 시뮬레이션이 트림 지연기에 대해 (n_e, n_o) 인덱스들의 단일-결정 석영 물질 분산 모델들을 사용했고, LCD 패널에 대해서는 통상적 LC 모델을 사용했다는 것이다. 물론, 실제 트림 지연기들은 다양한 분산 특성을 갖는 다양한 기술들로써 구현될 수 있다.

도 13a를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 VAN-모드 LCoS 패널을 보상하기 위한 트림 지연기가 도시되어 있다. 트림 지연기(140)는 WGP(150) 및 VAN-모드 LCoS 패널(130) 사이에 광학적으로 배치되며, WGP(150)는 수평 혹은 P-편극 광(120)을 통과시키도록 배열되고, 트림 지연기(140) 및 VAN-모드 LCoS 패널(130)은 실질적으로 나란하게 배열된다.

도 13b를 참조하면, VAN-모드 LCoS 패널(130)의 슬로우 축은 그것이 실질적으로 시스템의 S- 및 P-축들을 이등분하도록 위치한다. VAN-모드 LCoS 패널이 효율적인, 전기 제어형 복굴절 (ECB) 장치로서 사용되는 경우와, 패널이 온-상태일 때 VAN-모드 LCoS 패널이 단일 패스시 거의 1/4 파동 기판 지연기처럼 기능해야 하는 경우, VAN-모드 LCoS 패널의 슬로우 축을 S- 및 P-축들에 대해 ±45도로 배치하는 것이 중요하다. 이 실시예에서, VAN-모드 LCoS 패널의 슬로우 축은 왼나사의 XYZ 좌표계에서 ㅌ 축으로부터 약 135도인 제1방위각 φ_p에서 둘째 사분면에 배치된다. 다른 실시예들에서, VAN-모드 LCoS 패널의 슬로우 축은 그것이 실질적으로 S- 및 P-시스템 축들을 이등분하도록 다른 사분면들 중 하나에 있게 된다.

도 13b를 다시 참조하면, 트림 지연기(140)의 슬로우 축은 x 축에 대해 제2방위 각 (즉, φ_tr)로 첫째 사분면에 있는 것으로 보여진다. 더 상세히 말하면, 트림 지연기의 슬로우 축 방위는 최대 컨트라스트 비율을 제공한다고 실험적으로 정해진 각 φ_tr 상에 위치한다 (가령, 최적 클로킹 된 각도). 트림 지연기 슬로우 축 방위각 φ_tr이 P-편극 축에 가까운 첫째 사분면에 있다고 보여지고 있으므로, 트림 지연기가 근 반 파동 기판임이 분명하며, 이때 선형 지연은 소정 크기만큼 반 파동 미만으로 이동한다 (가령, HWP-마이너스). 이와 달리, 선형 지연이 소정 크기 만큼 반 파동 아래로 이동하는 (가령, HWP-마이너스) 근 반 파동 기판이 S-편극 축에 가까운 첫째 또는 셋째 사분면에 슬로우 축 방위 각 φ_tr을 가질 수도 있을 것이다. 한편, 트림 지연기가, 소정 크기만큼 반 파동 위로 이동하는 (가령, HWP-플러스) 근 파동 기판이면, 최적 트림 지연기 슬로우 축 방위각 φ_tr은 통상적으로 P-편극 축에 가까운 네 번째 사분면 안에 있게 될 것이다. 이와 달리, 선형 지연이 소정 크기만큼 반 파동 위로 이동하는 (가령, HWP-플러스) 근 파동 기판은, S-편극 축에 가까운 둘째 또는 넷째 사분면 안에 슬로우 축 방위각 φ_tr를 가질 수도 있다.

트림 지연기(140)는 대략 반 파동 지연을 가지는 제1지연기 요소(142)를 포함한다. 순수 편극 반 파동 기판과 제1지연 요소(142) 사이의 지연의 차이는, LCoS 패널(130)의 컨트라스트 보상에 적합한 지체 정도를 제공하도록 선택된다. 일반적으로, 그러한 지연의 차이는 해당 파장의 약 0.005 파동 및 0.15 파동 사이에 있을 수 있으며, 그것은 트림 지연기가 550nm에서 사용될 때 약 2 nm 및 82 nm 사이의 선형 지연에 해당한다. 보다 일반적으로, 트림 지연기는 평면-내 선형 지연 10nm 및 40nm 사이를 제공하도록 요구될 것이다 (즉, 550nm에서, 그것은 약 0.02 파동 및 0.07 파동의 지연에 해당한다). 예를 들어, 일 실시예에서, 지연의 차이가 약 0.055 파동이 되는데, 이것은 550 nm에서 약 30 nm의 지연에 해당한다. 이러한 지연 값은 λ=550nm에서 약 2nm의 오프-상태 패널 지연을 보이는 VAN-모드 LCoS 패널의 컨트라스트 보상에 매우 적합할 수 있다. HWP로부터의 지연 차이가 약 0.055 파동일 때, 제1지연기 요소(142)가 0.455나 0.555 파동의 지연을 가질 것이라는 것을 알아야 한다.

제1지연기 요소(142)는 보통, A-기판으로 동작할 수 있는, 분자구조 복굴절 무기 결정이나 LCP 같은 상대적으로 높은 복굴절 물질을 이용해 단일 레이어 지연기 요소로 형성된다. 예를 들어, 일실시예에서, 제1지연기 요소(142)는 근 반 파동 석영 지연기로서 제조된다. 이 실시예에서, 석영 레이어는 스스로 떠받쳐지거나, 투명 기판으로 받쳐질 것이다. 각각의 경우, 석영 레이어는 그 광 축 (즉, 이 단일축 구성에 있어서는 슬로우 축에 해당하기도 함)이 석영 레이어 평면에 놓이도록 A-기판으로서 구성될 것이다.

트림 지연기(140)는 또한 LCoS 패널(130)의 가시계를 높이기 위한 제2지연기 요소(144)를 포함한다. 그에 따라, 제2지연기 요소(144)는 통상적으로 C-기판으로 동작할 것이다. 예를 들어, 이 실시예에서, 제2지연기 요소(144)는 두 형태-복굴절 반-반사 (FBAR, form-birefringent anti-reflection) 스택들(144)을 포함한다고 보여지며, 그 각각은 C-기판로서 기능하며, 제1지연기 요소(142)의 다른 면과 결합된다. 각각의 FBAR 스택(144)은 보통 컨트라스팅 (contrasting) 굴절률의 재료들이 교번하는 계층들로부터 형성되는 주기적 스택이다. 예를 들어, 일실시예에서, 각각의 FBAR 스택은 고저의 굴절률 재료들이 교번하는 레이어들을 포함한다. 다른 실시예에서, 각각의 FBAR 스택은 고, 중, 저 굴절률 재료들이 교번하는 레이어들을 포함한다. 각각의 경우, 형태-복굴절에 기여하는 각각의 레이어 두께는 동작 파장 (operating wavelength)의 일부로 제한된다 (가령, λ=550nm의 진분수). 이 기술분야에서 알려진 바와 같이, 광 파장보다 훨씬 적은 두게를 가진 교번하는 인덱스 레이어들의 주기적 스택은, C-기판 지연기로 동작하는 편극 서브-파장 격자 (ZOG, zeroth order sub-wavelength grating)를 형성하도록 설계될 수 있다. 이러한 회 절 요소들의 C-기판 지연은 분자구조형 복굴절로부터라기 보다는 교번하는 레이어들의 구조 (형태)로부터 일어나므로, 교번하는 레이어들이 보통 등방성 (isotrophic) 물질들로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 교번하는 레이어들을 위한 적합한 재료들의 몇 가지 예들에, 실리카 (SiO₂, n=1.46), 탄탈라 (Ta₂O₅, n=2.20), 알루미나 (Al₂O₃, n=1.63), 하프니아 (HfO₂, n=1.85), 티타니아 (TiO₂, n=2.37), 니오비아 (Nb₂O₅, n=2.19), 및 마그네슘 플로라이드 (MgF₂, n=1.38)같은 무기 및 유기 절연물질들이 포함된다. FBAR 코팅에 대해 미국 특허 7,170,574 등에서 보다 상세히 개시하고 있으며, 그 내용은 여기에 참조의 형태로 포함된다.

트림 지연기(140)는 전부 무기 재료들로부터 제조될 수 있으므로 (가령, 제1지연기 요소(142)가 석영으로 형성되고 제2지연기 요소(144)는 박막 필름 무기 절연 레이어들로부터 형성될 때), 높은 광 플럭스 조건하에서의 사용에 이상적인, 매우 안정적이고 내구성이 높은 광 지연기가 주어지게 된다는 이점이 있다. 또, FBAR 스택들이 반-반사 기능을 포함하므로, 추가 반-반사 코팅을 제공할 필요 없이, 제1지연기 요소(142)로부터의 반사가 감소된다. 사실, 이러한 풀-기능 A/-C 기판 트림 지연기는 단순성, 내구성, 및 저렴한 제조 비용 사이에서 탁월한 균형이 이뤄지게 한다.

트림 지연기(140)의 A-기판 지연이 근 반 파동 지연기(142)를 통해 주어지기 때문에, 트림 지연기(140)는 방위각에 둔감한 방식으로 기능할 것이고, 상대적으로 느슨한 물리적 두게 편차들을 요하는 마이크로-제조 기술들을 이용해 형성될 수 있 다는 추가적인 이점이 있다. 또, 근 반 파동 지연기(142)가 광-온 상태에서 적당히 높은 처리율을 제공하므로, 컨트라스트 보상을 가능하게 할 수 있다.

순수 반 파동 기판 (즉, 정확히 반 파동 지연이나 0.5 파동을 제공함)은 지연기 요소(142)로서의 사용에 적합하지 않다는 것에 주의해야 한다. 특히, 완전 반 파동 지연기는 광-온 상태에서 낮은 처리율을 제공한다고 예상되고, 따라서 감소된 컨트라스트 비율을 내게 된다. 사실 본 발명은 지연이 정확히 반 파동 지연에서 작은 정도만큼 이동하도록 선택된다는 점에서 종래 기술 (가령, Candee 등에게 부여한 WO 01/79921 A2)와 차별화된다. 지연이 순수 반 파동 지연에서 이동하게 되므로, 트림 지연기는 VAN-모드 패널의 잔여 평면-내 오프-상태 선형 지연보다 높은 평면-내 선형 지연을 제공하도록 제조될 수 있고, 트림 지연기가 프로젝션 시스템의 조립 중에 클록-인 될 수 있도록 제조될 수 있다.

물론, 상술한 실시예들은 단지 예들로서 제공되었을 뿐이다. 이 분야의 당업자라면 본 발명의 개념 및 범위에서 벗어나지 않은 채 여러 변형과, 대체적 구성들, 및/또는 등가적 사항들이 활용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 13a 및 13b를 참조해 설명한 실시예는 하나 이상의 -C-기판 지연기들을 포함한다고 보여지고 있지만, 본 발명의 다른 실시예들은 단지 하나의 근 반 파동 지연기를 제공한다. 또, 본 발명에 따른 트림 지연기는 WGP 기반 VAN-모드 LCoS 마이크로 디스플레이 프로젝션 시스템들에서 탁월한 컨트라스트 보상을 제공하지만, 다른 프로젝션 시스템들 (가령, TN-모드 LCoS 패널들에 기반하는 시스템들)에서의 컨트라스트 보상에도 역시 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청 구범위에 의해서만 한정되어야 할 것이다.

도 1은 종래의 3-패널 WGP 기반 LCoS 프로젝션 광 엔진의 개략도이다.

도 2는 LCoS 패널의 상대적 방위 방향들 및 트림 지연기 슬로우 축들을 보인 개략도이다.

도 3은 종래의 1/4 파동 지연기 및 그것의 다차 (multiple-order) 상대에 대해, 파장 함수로서 시뮬레이션한 선형 지연 및 지연기 축을 보인 그래프이다.

도 4는 LCoS 패널의 컨트라스트를 개선하기 위한 일반적인 지연기 솔루션 스페이스를 예시한 개략도이다.

도 5는 λ=550nm에서 정규화된 반사율 측정치들로부터 추정된 패널 평면-내 지연을 보인 것이다.

도 6은 550nm에서 온-상태 (왼쪽 그래프) 및 오프-상태 (오른쪽 그래프)에서 지연기 보상된 VAN-모드 LcoS의 정규화된 반사율 스펙트럼을 보인 것이다.

도 7은 550nm 파장에서 보상된 VAN-모드 LcoS 패널의, 온-상태 전송 (최상위 그래프), 오프-상태 (중간 그래프), 및 그 결과에 따른 컨트라스트 비율 (최하위 그래프)의 방위각 감도를 보인 것이다.

도 8은 여러 지연기들에 대해 550nm에서 산출된, 패널 컨트라스트 대 보상기 슬로우 축 방위 위치들의 곡선이다.

도 9는 녹색 채널에서의 여러 지연기들에 대해 선출된 선형 지연 대 파장 곡선이다.

도 10은 이상적으로 클로킹된 지연기들을 가지고 산출된 지연기/패널 컨트라스 트 곡선이다.

도 11은 다양한 지연기 계층 두께에 대해 시뮬레이션한 컨트라스트를 보인다.

도 12는 최적 컨트라스트 포인트로부터의 고정 0.1도 디튜닝 (de-tuning)의 시뮬레이션한 컨트라스트 스펙트럼을 보인다.

도 13a는 본 발명의 일실시예에 따른 WGP 기반 LcoS 마이크로 디스플레이 시스템의 컨트라스트 보상에 사용되는 트림 지연기의 평면도이다.

도 13b는 도 13a의 입방도이다.

Claims

액정 디스플레이 프로젝션 시스템에 있어서,

소정 파장에서 잔여 오프-상태 (residual off-state) 복굴절을 포함하는 반사형 액정 디스플레이 패널; 및

상기 반사형 액정 디스플레이 패널의 상가 잔여 오프-상태 복굴절을 보상하고, 액정 디스플레이 프로젝션 시스템의 온-상태/오프-상태 컨트라스트 비율을 높이기 위한 트림 지연기 (trim retarder)를 포함하고,

상기 트림 지연기는 상기 잔여 오프-상태 복굴절의 평면-내 (in-plane) 성분을 보상하기 위해, 평면-내 지연을 갖는 단일-레이어 (single-layer) 지연기 요소를 포함하고, 상기 평면-내 지연은 소정 파장의 반-파동 (half-wave)으로부터 소정 크기만큼 이동됨을 특징으로 하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
제1항에 있어서, 상기 소정 크기는 소정 파장의 0.005 파동 및 0.10 파동 사이에 있음을 특징으로 하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
제2항에 있어서, 상기 소정 크기는 소정 파장의 0.055 파동임을 특징으로 하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
제1항에 있어서, 상기 평면-내 지연은 소정 파장의 약 0.45 파동 및 약 0.55 파동 중 하나임을 특징으로 하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
제1항에 있어서, 상기 트림 지연기는, 상기 잔여 오프-상태 복굴절의 평면-외 (out-of-plane) 성분을 보상하기 위해, 평면-외 지연을 포함하는 적어도 한 지연기 요소를 구비함을 특징으로 하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
제5항에 있어서, 상기 평면-외 지연을 포함하는 적어도 한 지연기 요소는, 단일-레이어 지연기 요소의 제1측과 결합된 제1형태(form)-복굴절 반(anti)-반사 코팅, 및 상기 단일-레이어 지연기 요소의 반대편 제2측과 결합된 제2형태-복굴절 반-반사 코팅을 포함함을 특징으로 하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
제6항에 있어서, 상기 단일-레이어 지연기 요소는 석영 (quartz) 기판을 포함함을 특징으로 하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
제1항에 있어서, 상기 단일-레이어 지연기 요소는 무기 (inorganic) 복굴절 결정 (crystal)을 포함함을 특징으로 하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
제8항에 있어서, 상기 단일-레이어 지연기 요소는 석영 기판을 포함함을 특징으로 하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
제1항에 있어서, 상기 반사형 액정 디스플레이 패널은, 수직-정렬-네마틱 (vertically-aligned-nematic) 액정 디스플레이 패널을 포함하고, 와이어-그리드 (wire-grid) 편광기 기반 편광 빔 스플리터 (beamsplitter)와 광학적으로 연결됨을 특징으로하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
제1항에 있어서, 상기 평면-내 지연은 소정 파장의 반-파동 아래로 소정 정도만큼 이동되고, 상기 반사형 액정 디스플레이 패널은 그 반사형 액정 디스플레이 패널의 S- 및 P-축들의 이등분선과 실질적으로 나란한 슬로우 (slow) 축을 포함하고, 상기 단일-레이어 지연기 요소의 슬로우 축은 상기 반사형 액정 디스플레이의 슬로우 축을 포함하는 사분면에 인접한 사분면 안에 있음을 특징으로 하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
제1항에 있어서, 상기 평면-내 지연은 소정 파장의 반-파동 위로 소정 정도만큼 이동되고, 상기 반사형 액정 디스플레이 패널은 그 반사형 액정 디스플레이 패널의 S- 및 P-축들의 이등분선과 실질적으로 나란한 슬로우 축을 포함하고, 상기 단일-레이어 지연기 요소의 슬로우 축은, 상기 반사형 액정 디스플레이의 슬로우 축을 포함하는 사분면 및 상기 반사형 액정 디스플레이의 슬로우 축을 포함하는 사분면과 대각선 방향으로 마주하는 사분면 중 한 사분면 안에 있음을 특징으로 하는 액정 디스플레이 프로젝션 시스템.
액정 디스플레이 프로젝션 시스템에서 컨트라스트 비율을 개선하는 방법에 있어서,

액정 디스플레이 프로젝션 시스템 내 반사형 액정 디스플레이 패널의 잔여 오프-상태 복굴절을 보상하기 위한 트림 지연기를 제공하는 단계를 포함하고,

상기 트림 지연기는 상기 잔여 오프-상태 복굴절의 평면-내 성분을 보상하기 위해 평면-내 지연을 포함하는 단일-레이어 지연기 요소를 구비하고, 상기 평면-내 지연은 소정 파장의 반-파동으로부터 소정 정도만큼 이동되고, 상기 소정 정도는 소정 파장의 약 0.15 파동 미만임을 특징으로 하는 방법.
제13항에 있어서, 상기 단일-레이어 지연기 요소의 슬로우 축 방위각이 상기 반사형 액정 디스플레이 패널의 S-축 및 P-축 가운데 하나와 실질적으로 나란하도록 상기 트림 지연기 방향을 배치하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 상기 트림 지연기의 슬로우 축 방위각이 상기 S- 및 P-축들 중 하나로부터 멀리 이동(rotate)되고 컨트라스트 비율이 최대가 되도록, 상기 트림 지연기를 상기 단일-레이어 지연기 요소의 한 평면에 수직인 축에 대해 클로킹 (clocking)하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
액정 디스플레이 프로젝션 시스템에서 컨트라스트 비율을 개선하는 방법에 있어서,

액정 디스플레이 프로젝션 시스템 내 반사형 액정 디스플레이 패널의 잔여 오프-상태 지연을 판단하는 단계;

상기 잔여 오프-상태 지연을 보상하고, 액정 디스플레이 프로젝션 시스템의 온-상태/오프-상태 컨트라스트 비율을 개선하기 위해 평면-내 지연을 정하는 단계; 및

액정 디스플레이 프로젝션 시스템 안에 트림 지연기를 위치시키는 단계를 포함하고,

상기 트림 지연기는, 제2평면-내 지연을 가진 단일-레이어 지연기 요소를 포함하고, 상기 제2평면-내 지연은 실질적으로, 반-파동 플러스 제1평면-내 지연 및 반-파동 마이너스 제1평면-내 지연 중 하나에 해당하고, 상기 제1 및 제2평면-내 지연은 전자기 스펙트럼의 가시 영역 내 동일한 파장에서 정해짐을 특징으로 하는 방법.
제16항에 있어서, 상기 액정 디스플레이 프로젝션 시스템 안에 트림 지연기를 위치시키는 단계는, 상기 트림 지연기를 와이어 그리드 편광기 및 상기 반사형 액정 디스플레이 패널 사이에 위치시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.