KR20130097158A - 고속 액정 편광 변조기 - Google Patents

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Abstract

시간-다중화 입체 3D 애플리케이션들을 위한 편광 변조기(20)는 빠른 속도로 대체 서브프레임들로 두 편광 상태들 사이를 스위칭한다. 편광 변조기는 제 1 디바이스가 대체 서브프레임들 동안 입사광의 입력 편광 상태로 되게 하는 변화를 제 2 디바이스가 보상하도록 광학 시리즈로 배열되어 구동(52)되는 두 개의 액정 디바이스(26, 28)를 사용한다. 보상 액정 디바이스들은, 이들 둘 다에 동일한 전압이 인가될 때, 인가되는 전압 레벨에 관계없이, 제 2 디바이스는 제 1 디바이스가 입력 편광 상태로 되게 하는 변화를 제 2 디바이스가 보상한다. 인가되는 전압이 한 레벨에서 다른 레벨로 변화되어 액정 디바이스들의 액정 물질(34c, 34n)이 새로운 전압 레벨로 완화된다면, 편광 상태 보상은 완화의 기간에 걸쳐 발생하여, 편광 상태의 변화로서 느리고, 비전력화 되는 천이는 나타나지 않는다.

Description

고속 액정 편광 변조기{HIGH-SPEED LIQUID CRYSTAL POLARIZATION MODULATOR}
ⓒ 2011 LC - TEC Displays AB. 본 특허 문서의 개시의 부분은 저작권 보호에 따른 자료를 포함한다. 저작권 소유자는, 특허청의 특허 파일이나 기록에 나타나는 바와 같이, 모든 특허 문서 또는 특허 개시를 팩스밀리 복제에 대한 이의가 없지만, 그 이외의 모든 저작권 권리를 보유한다.
본 공개는 시간-다중화 입체 3차원(3D) 애플리케이션들을 위한 고속의 액정 편광 변조기에 관한 것이다. 특히, 본 공개는, 입력 편광 상태의 입사광이 전파되는 제 1 및 제 2 액정 디바이스들로 구현되고, 제 1 액정 디바이스가 입력 편광 상태로 되게 하는 변화를 제 2 액정 디바이스에 의해 보상하는 편광 상태 변조기와, 편광 상태들 사이의 고속 스위칭을 달성하는 액정 셀들을 구동하는 방법에 관한 것이다.
편광 변조기들은 광 섬유 통신(fiber optics communication), 용접 고글(welding goggles), 및 시간-다중화 입체 3D 디스플레이들과 같은 다양한 분야의 애플리케이션들을 발견한다. 특히, 액정 셀들은, 액정 물질 자체가 복굴절이고, 복굴절 물질의 광축 방향이 인가되는 전압에 의해 제어될 수 있기 때문에, 그들을 통해 통과하는 광의 편광 상태들을 변조하기에 매우 적당하다. 일부 애플리케이션에 있어서, 편광 변조기는 한 편광 상태에서 다른 편광 상태로 광을 스위칭하는 편광 스위치로서 이용된다. 시간-다중화 입체 3D 애플리케이션들에서 최고의 성능을 성취하기 위하여, 우수 원형 편극광과 좌수 원형 편극광 사이, 또는 수직 편극광과 수평 편극광 사이와 같은 두 개의 직각으로 관련된 편광 상태들 사이를 스위칭하는 것이 바람직하다.
좌안 및 우안 이미지들이 이미징 디바이스에 의해 순차적으로 프레임 제공되는 시간-다중화 입체 3D 시스템들에 사용되는 두 개의 기본적인 기술이 있다. 본 기술들 중 하나는 관찰자가 착용한 액티브 뷰잉 안경(active viewing glasses)의 사용이 수반한다. 액티브 안경의 각각의 접안 렌즈에는 두 개의 편광 필름들 사이에 위치된 편광 스위치를 포함하는 렌즈 어셈블리가 설치된다. 액티브 안경과 이미징 디바이스는 동기로 작동하며, 각각의 렌즈 어셈블리는 실질적으로 동일한 기간의 대체 서브프레임들 동안 순차적으로 제공되는 관련된 관찰자의 좌안 및 우안 이미지들에/로부터 통과 및 차단하는 것을 교대로 행하여, 우안 이미지들 및 좌안 이미지들이 관찰자의 우안 및 관찰자의 좌안에 각각 도달한다. 기본적인 기술들 중 다른 하나는 관찰자가 착용하는 패시브 뷰잉 안경(passive viewing glasses)의 사용과 이미징 디바이스의 전면에 편광판 및 편광 스위치의 배치를 수반한다. 편광 스위치 및 이미징 디바이스는 동기로 작동하여, 좌안 이미지들 및 우안 이미지들이 전송 매체를 통해 전파되지만, 편광 스위치에 의해 전달되는 서로 다른 편광 상태들로 전파된다. 패시브 안경의 각각의 접안 렌즈에는 좌 및 우안 이미지들을 전달하는 입사광의 편광의 상태들을 분석하도록 배향된 편광 필름을 포함하는 렌즈가 설치되어, 그들을 번갈아 통과 및 차단하여, 우안 이미지들 및 좌안 이미지들이 관찰자의 우안 및 관찰자의 좌안에 각각 도달되도록 한다. 본 공개는 액티브 또는 패시브 뷰잉 안경을 사용하는 입체 3D 기술들에 관한 것이다.
액정들을 사용하는 제 1 편광 변조기들 중 하나는 트위스트 네마틱(TN) 셀이다. 스위스 특허 제 CH532261 호의 Helfrich 및 Schadt에 의해 교시된 TN 셀은, 하나의 표면과 접촉하는 액정 물질의 디렉터들이 다른 표면과 접촉하는 액정 물질의 디렉터들의 방위들에 관련되는 직각에서 표면들이 배향되도록 처리된 광학적으로 투명한 전극들을 갖는 두 개의 기판 플레이트들 사이에 끼어 있는 포지티브 유전율 이방성의 액정 물질로 구성되어 있다. 인가된 전압의 부재시에, 액정 디바이스 내측의 액정 디렉터들은 하단 기판의 내부 표면으로부터 상단 기판의 내부 표면으로 균일하게 90° 트위스트 된다. 이는 "도파(waveguiding)" 원리를 통해 선형으로 극성화된 인입 광을 90°만큼 회전시키는 효과가 있다. 액정 디바이스에 전압의 인가에 따라, 액정 디렉터들은 기판에 수직으로 정렬되어, 그 결과로 트위스트된 액정 디렉터 구조가 사라지고, 선형으로 편광된 인입 광을 회전시킬 수 있다. 따라서, TN 셀은, 전압이 인가되지 않을 때 선형 편극광의 방향을 90°만큼 회전시키고, 충분한 고전압이 인가되지 않을 때 선형 편극광을 회전시키지 않는 편광 스위치로서 고려될 수 있다. TN 디바이스를 편광 스위치로의 사용에 따른 문제점은, 액정의 디렉터의 상기 복원 토크가 전극들의 처리된 내부 표면들을 접촉하는 디렉터들에 의해 설정된 고정 경계 정렬로부터 전파되는 단지 탄성력으로부터 생성되기 때문에, 고전압 광학 상태에서 저전압 광학 상태로의 천이가 많은 애플리케이션들에서 너무 느리다는 점이다. 이는 비전력화 천이라고 지칭한다. 반면에, 저전압 광학 상태에서 고전압 광학 상태로의 천이는, 분자의 토크가 액정 물질의 유도된 쌍극자 모멘트와 인가된 전계의 커플링으로부터 유래되기 때문에, 매우 빠르게 될 수 있다. 이는 전력화된 천이이다. 심지어 낮은 점도와 함께, 고복굴절 액정 물질들 및 액정 디스플레이 디바이스 기술이 현재 이용 가능하며, 고전압 광학 상태에서 저전압 광학 상태로의 천이는 현대의 시간-다중화 입체 3D 애플리케이션들에 사용에는 너무 느린 여전히 2 ms 내지 3 ms 정도이며, 여기서, 완전한 좌안 또는 우안 이미지들이 단지 4ms 이하에 사용될 수 있다.
Freiser의 미국 특허 제 3,857,629호는 저전압 광학 상태에서 고전압 광학 상태와 고전압 광학 상태에서 저전압 광학 상태로 스위칭하는 TN 편광 스위치를 설명하며, 여기서, 둘 모두는 전력화된 천이들이며, 둘 모두는 매우 빠르게 될 수 있다. 이러한 스위칭 방식은 유전율 이방성이 구동 주파수들을 증가시키기 위해 포지티브에서 네거티브로 부호를 변화시키는 특별한 "2-주파수" 액정 혼합물을 사용한다. DC 또는 저주파수 AC 전압의 인가는 TN 디바이스를 턴-온 시키고, 고주파수 AC 전압의 인가는 TN 디바이스를 다시 턴-오프 시킨다. 그러나, 두 개의 주파수 기술과 관련된 여러 문제점이 있다. 첫째로, 이러한 방식은 액정 디바이스에서 도메인들 또는 패치들의 형성으로 인하여 넓은 면적에 걸쳐 균일하게 스위칭할 수 없다. 둘째로, 크로스오버 주파수, 즉, 액정의 유전율 이방성이 부호를 변경시키는 주파수는 매우 온도에 의존하며, 그 결과로서, 디바이스가 성공적으로 작동할 수 있는 온도 범위를 제한한다. 셋째로, 액정 디바이스의 용량성 부하에 공급하는 고주파수 구동 신호는 상당한 전력을 필요로 하며, 이는 액티브 입체 3D 안경과 같은 배터리로 작동하는 휴대용 디바이스들에서 상기 시스템을 사용하지 못하게 한다.
Bos의 미국 특허 제 4,566,758 호는 전자-광학 모드에서 동작하는 액정-기반 편광 스위치를 설명한다. Bos에 의해 설명된 액정 디바이스는 pi-셀로서 공지되어 있다. pi-셀 편광 스위치는 선형 편극광의 편광 방향을 90°만큼 회전시키지만, 그 동작은 TN 디스플레이의 90° "도파" 원리 대신에 스위치 가능한 1/2파 리타더(switchable half-wave retarder)에 기초한다. 이러한 pi-셀 모드는, pi-셀의 스위칭과 연관된 내부 액정 물질 흐름이 느리게 하는 "광학 바운스(optical bounce)"를 도입하지 않기 때문에, TN 모드에서 행하는 것보다 빠르게 스위칭한다. 그럼에도 불구하고, 고전압 광학 상태에서 저전압 광학 상태로의 천이는 현재의 물질들과 디바이스 기술을 사용하여 약 1ms의 응답 시간과 함께, 여전히 비전력화된 천이가 된다. 심지어 1ms 응답도 현대의 시간-다중화 입체 3D 애플리케이션들에서 이미지 크로스토크, 휘도의 손실, 및 다른 아티팩트를 초래할 수 있다.
Clark 및 Lagerwall의 미국 특허 제 4,563,059 호는 상술한 네마틱 액정 물질들로부터 서로 다른 액정 등급(class)에 속하는 강유전성 액정 물질들에 기초한 액정 편광 스위치를 설명한다. 강유전성 액정들의 등급은 강유전성 액정 분자가 액정 분자 자신이 층들 내에 배열하는 네마틱 액정들의 등급과 다르다. 강유전성 편광 스위치는, 두 광학 상태 천이들이 전력화된 천이가 되기 때문에, 두 개의 편광 상태들 사이에서 전후로 매우 빠르게 스위칭할 수 있다. 그러나, 강유전성 편광 변조기들의 많은 결점이 있다. 첫째로, 액정 디바이스는 1 ㎛ 정도로 매우 얇은 셀 갭을 갖는 것이 필요하며, 이는 강유전성 액정 디바이스들을 높은 수율로 제조하는데 어렵게 만든다. 둘째로, 강유전성 층들의 정렬은 충격 및 압력 변화에 매우 민감하며, 이러한 감도는 관찰자가 착용한 액티브 입체 3D 안경의 사용과 같은 조작을 수반하는 많은 애플리케이션들을 배제한다. 셋째로, 온도의 변화는, 특히 온도가 스메틱 천이 온도 이상 일시적으로 상승하는 경우, 정렬 붕괴(alignment disruptions)를 일으킬 수 있다.
다른 편광 스위치는 광학 시리즈로 배열된 두 개의 액정 디바이스들을 사용한다. Bos의 미국 특허 제 4,635,051 호는 제 1 및 제 2 가변 광학 리타더들을 포함하는 광 게이트 시스템을 설명하며, 여기서, 가변 리타더들의 광 전달 표면들 상의 그들 광학축들의 투영들은 직교하고 교차된 편광판들 사이에 배치된다. 가변 리타더들은 제 1 ON 또는 전송 시간 간격 동안, 제 1 가변 리타더가 고전압을 수용하지만 제 2 가변 리타더가 제로 볼트를 수용하고, 제 2 OFF 또는 차단 시간 간격 동안, 제 1 및 제 2 가변 리타더들 모두는 고전압을 수용하도록 구동된다. 그 결과, 광 게이트는 제 1 시간 간격의 시작에서 전송 상태로 매우 빠르게 턴-온 되고, 제 2 시간 간격의 시작에서 차단 상태로 매우 빠르게 턴-오프 된다. 제 2 시간 간격 다음에는 가변 리타더들이 제로 볼트를 수용하고 그들 비전력화 상태들로 완화하는 무한정 기간의 제 3 시간 간격이 따른다. 광 게이트는 제 3 시간 간격 동안 차단 상태로 된다. 이러한 완화는, 비전력화 되고 광 게이트가 다시 활성화되기 이전에 완료되어야 하기 때문에, 제 3 시간 간격 동안 비교적 느리다. 이 방식은 실질적으로 동일한 기간들의 두 개의 시간 간격들(좌 및 우 이미지 서브프레임들)로 동작하는 시간-다중화 입체 3D 애플리케이션들에는 적당하지 않다.
Bos의 미국 특허 제 4,719,507호는 선형 편광판과, 광학축들이 서로 수직인 제 1 및 제 2 액정 가변 광학 리타더들을 포함하는 시간-다중화 입체 이미징 시스템 실시예를 설명한다. 가변 리타더들은 제 1 이미지 프레임 동안, 제 1 가변 리타더가 제로 위상차 상태가 되고, 제 2 가변 리타더가 우 원형 편극광을 결과로서 나타내는 1/4 파형 위상차 상태로 되고, 제 2 이미지 프레임 동안, 제 1 가변 리타더가 1/4 파형 위상차 상태로 되고, 제 2 가변 리타더가 좌 원형 편극광을 결과로서 나타내는 제로 위상차 상태가 되도록 개별적으로 스위칭된다. 제 2 가변 리타더는 결코 제 1 가변 리타더가 입사광의 입력 편광 상태로 되게 하는 변화를 보상하지 않는다. 스위칭 동안에, 하나의 가변 리타더는 전력화되지만, 다른 가변 리타더는 동시에 전력화를 오프 및 그 역으로 된다. 이 방식의 단점은 두 천이들이 비교적 느린 비전력화된 천이를 포함하고, 이는 현대의 시간-다중화 입체 3D 애플리케이션들에서 이미지 크로스토크, 휘도의 손실, 및 다른 아티팩트를 초래할 수 있다는 것이다.
Cowan 등의 미국 특허 제 7,477,206 호는 편광 스위치를 설명하며, 이는, 상술한 미국 특허 제 4,719,507호의 것과 유사한 방식으로, 제로와 1/4 파형 위상차 사이를 스위칭할 수 있고, 푸시-풀 방식으로 구동되는 두 개의 액정 가변 광학 리타더들을 사용한다. 또한, 미국 특허 제 4,719,507 호에 기재된 편광 스위치의 동일한 단점들이 여기에 적용된다.
Robinson 및 Sharp의 미국 특허 제 7,528,906 호는 광학적 시리즈로 연결된 두 개의 1/2파 pi-셀들을 사용하는 편광 스위치의 여러 실시예들을 설명한다. 한 실시예는 광학적으로 투명한 전극들의 표면들을 병렬 방향으로 마찰시켜 디렉터 정렬을 접촉하는 표면에 대해 구성된 두 개의 pi-셀들을 사용한다. 두 개의 pi-셀들은 두 개의 pi-셀들의 마찰 방향들이 서로 약 43° 각도가 되도록 배향된다. 다른 실시예들은 마찰 방향들이 서로 병렬이고, 하나 이상 끼워져 있는 패시브 위상차 필름들로 구성되는 두 개의 pi-셀들을 사용한다. 모든 경우에 있어서, 입력 편광 상태의 입사광이 제 1 및 제 2 pi-셀들을 통해 전파될 때, 제 2 pi-셀은 제 1 액정 리타더가 입력 편광 상태로 되게 하는 변화를 보상하지 않는다. 액정 디바이스들 둘 다는 동일한 파형들로 동시에 구동되어, 액정 디바이스들 모두가 저전압 광학 상태에서 고전압 광학 상태로 스위칭될 때 매우 빠른 광학 응답을 결과로서 얻는데, 그 이유는 이들이 전력화된 천이들이지만, 고전압 광학 상태에서 저전압 광학 상태로의 동시 천이들이 비전력화된 천이며, 그로 인해 비교적 느리고, 시간-다중화 입체 3D 애플리케이션들에 대한 스위칭 성능을 감소시키기 때문이다.
Hornell 및 Palmer의 미국 특허 제 No. 5,825,441 호는 두 개의 TN 디바이스들과 이들 사이의 편광 필름을 포함하는 액정 용접 글라스 구조를 설명한다. TN 디바이스들 중 적어도 하나는 90°보다 작은 트위스트 각도를 갖는다. 삽입된 편광판으로 인하여, 제 1 TN 디바이스가 입사광의 입력 편광 상태로 되게 하는 변화에 관계없이, 제 2 TN 디바이스에 들어가는 광의 편광의 상태는 일정하며, 그로인해, 어떠한 보상과도 관련되지 않는다. 이러한 장치는 용접 애플리케이션들에 우수한 성능을 제공하는데, 여기서는 넓은 뷰잉 각도 이상의 매우 높은 광학 밀도가 요구되고, 비전력화된 천이들의 광학 응답을 느리게 하기 때문에, 시간-다중화 입체 3D 애플리케이션들에 적당하지 않게 된다.
제 1 디바이스가 대체 서브프레임들 동안 입사광의 입력 편광 상태로 되게 하는 변화를 제 2 디바이스가 보상하도록 광학 시리즈로 배열되어 구동(52)되는 두 개의 액정 디바이스(26, 28)를 사용하여, 빠른 속도로 대체 서브프레임들로 두 편광 상태들 사이를 스위칭하는 편광 변조기를 제공한다.
관찰자가 시청하는 시간-다중화 입체 3차원 이미지를 위한 광학 편광 상태 변조기는 상술한 단점을 나타내지 않는다. 편광 상태 변조기는 입력 편광 상태의 광을 교호 시퀀스로 수신하고, 업데이트된 이미지 부분들을 포함하는 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 다른 서브프레임에서 한 장면의 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 전달한다.
편광 상태 변조기의 바람직한 실시예들은, 광학 시리즈로 결합된 제 1 및 제 2 액정 디바이스들로서, 이들을 통해 전파되는 편광된 광은 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에 인가되는 전압들에 응답하여 편광 상태로 변경될 수 있는, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들을 포함한다. 제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 각각의 제 1 및 제 2 세트들의 디렉터들을 가지며, 인가되는 동일한 전압의 제거에 응답하여 제 1 및 제 2 세트들의 디렉터들이 협력하여 완화시키고 이에 의해 편광 상태 변화들을 동적으로 상쇄하도록 구성 및 배향되어, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들의 결합을 통해 전파되고 나가는 입사광의 여러 파장들이 입력 편광 상태로 된다.
구동 회로는 각각의 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에 제 1 및 제 2 구동 신호들을 전달한다. 제 1 및 제 2 구동 신호들은 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에 대한 낮은 크기의 디렉터 필드 상태들을 확립하는 낮은 크기의 레벨들을 포함한다. 제 1 및 제 2 구동 신호들은 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에 대한 높은 크기의 디렉터 필드 상태들을 확립하는 낮은 크기의 레벨에서 높은 크기의 레벨로의 전력화된 천이들을 갖는 펄스들을 포함한다. 제 1 및 제 2 구동 신호들은, 제 1 및 제 2 세트들의 디렉터들이 편광 상태 변화들을 상쇄하도록, 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 하나의 서브프레임 동안 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에서 하나의 서브프레임의 업데이트된 이미지 부분 동안 디렉터들이 완화시키는 높은 크기의 디렉터 필드 상태들의 형성을 생성하도록 협력한다. 편광 상태 변화들을 상쇄하는 디렉터들은 제 1 및 제 2 액정 디바이스들의 결합을 통해 전파하는, 이미지 전달 편광된 광에 입력 편광 상태인 제 1 출력 편광 상태를 제공한다. 제 1 및 제 2 구동 신호들은, 제 1 및 제 2 세트들의 디렉터들이 편광 상태 변화들을 상쇄하지 않도록, 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 다른 서브프레임 동안, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들 중 다른 액정 디바이스에서 다른 서브프레임의 업데이트된 이미지 부분 동안 낮고 높은 크기의 디렉터 필드 상태들의 형성을 생성하도록 협력한다. 편광 상태 변화들을 상쇄하지 않는 디렉터들은 제 1 및 제 2 액정 디바이스들의 결합을 통해 전파하는 이미지 전달 편극광에 제 1 출력 편광 상태와는 다른 제 2 출력 편광 상태를 전달한다.
두 개의 보상하는 액정 디바이스들의 유용한 특성은, 동일한 전압이 그들 둘 다에 인가되는 경우, 하나의 액정 디바이스는 인가되는 전압 레벨에 관계없이, 다른 액정 디바이스가 입력 편광 상태로 되게 하는 변화를 보상하는 것이다. 더욱이, 인가된 전압이 하나의 레벨에서 다른 레벨로 변화하고, 액정 디바이스들의 액정 물질이 새로운 전압 레벨로 완화될 때, 편광 상태 보상은 완화의 기간에 걸쳐 실행된다. 이는 동적 보상이라 칭한다. 따라서, 전압이 두 액정 디바이스들에 인가되고 나서 제거되는 경우, 결합을 통해 통과하는 광의 편광 상태의 변화 없이 완화 처리를 계속해서 보상하게 된다. 따라서, 액정 디바이스들의 느리고, 비활성화된 천이는 실행되지 않으며, 따라서, 편광 상태의 변화로서 자체적으로 나타난다. 공개된 구동 방식은 후자의 특성을 이용하며, 이는, 두 개의 액정 디바이스들이, 어떠한 광학 변경 없이, 느리고, 비전력화된 천이에 의해 보다 낮은 전압 편광 상태로 재설정할 수 있기 때문에, 고속-스위칭 편광 변조기 동작이 가능하다.
광학 편광 상태 변조기는 패시브 또는 액티브 뷰잉 안경과 함께 사용하도록 구성된 입체 3D 시스템들에 포함될 수 있다.
패시브 뷰잉 안경을 사용하는 시스템에 대해서, 이미지 소스 및 입력 편광판은 서로 광학적 연결되어 있다. 이미지 소스는 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 교호 시퀀스로 생성하고, 입력 편광 상태로 광을 생성하며, 광 입구 표면상의 입사를 위해 입력 편광판을 나가는 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 전달한다. 패시브 디코더는 전송 매체에 의해 광학 편광 상태 변조기의 광 출구 표면으로부터 분리되고 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 다른 서브프레임 동안 제 1 및 제 2 출력 편광 상태들의 이미지 전달 편광된 광을 수신하도록 구성된 제 1 및 제 2 뷰잉 디바이스들을 포함한다. 제 1 뷰잉 디바이스는 제 1 출력 편광 상태의 광을 투과시키고, 제 2 출력 편광 상태의 광을 차단하도록 배향된 제 1 전송 편광축을 갖는 제 1 편광판을 포함한다. 제 2 뷰잉 디바이스는 제 2 출력 편광 상태의 광을 투과시키고 제 1 출력 편광 상태의 광을 차단하도록 배향된 제 2 전송 편광축을 갖는 제 2 편광판을 포함한다. 이러한 패시브 뷰잉 안경은 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 다른 서브프레임 동안 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 관찰자에 제공한다.
액티브 뷰잉 안경을 사용하는 시스템에 대해서, 이미지 소스는 광 입구 표면 상의 입사를 위해 입력 편광 상태의 광을 생성하도록 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 전달하고, 전송 매체를 통해 전파되며, 입력 편광판을 통해 전파되는 광을 방출하고, 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 전달한다. 각각의 광학 편광 상태 변조기는 제 1 및 제 2 투시 이미지들 중 해당하는 투시 이미지를 관찰자에 제공하도록 제 1 및 제 2 출력 편광 상태들 중 하나의 출력 편광 상태의 이미지 전달 편광된 광이 통과하는 광학 편광 상태 변조기의 광 출구 표면과 광학적으로 연결된 분석 편광판을 갖는다. 각각의 광학 편광 상태 변조기의 입력 편광판 및 분석 편광판은 서로 횡으로 관련된 입력 필터 전송 편광축 및 분석 필터 전송 편광축을 각각 갖는다.
시간-다중화 입체 3D 애플리케이션들을 위한 편광 변조기는 빠른 속도로 대체 서브프레임들로 두 편광 상태들 사이를 스위칭한다.
도 1은 액정 물질층 내부의 액정 디렉터(n) 경사각(θ) 및 방위각(φ)을 정의하는 도면.
도2는 입력 편광 상태의 입사광이 전파되고 제 1 액정 디바이스가 입력 편광 상태로 되게 하는 변화를 제 2 액정 디바이스에 의해 보상하는 제 1 및 제 2 액정 디바이스들의 경사 및 방위 프로필을 도시한 도면.
도 3a 내지 도 3d는 패시브 또는 액티브 뷰잉 안경을 사용하여 입체 3D 시스템에 포함될 수 있는 편광 변조기인 제 1 바람직한 실시예에서 설치된 제 1 및 제 2의 90° TN 액정 디바이스들에 인가된 여러 구동 전압들에 의해 전달되는 출력 편광에 대한 효과를 도시한 도면.
도 4는 도 3a 내지 도 3d의 제 1 바람직한 실시예에서, DC 밸런싱을 위한 프레임 반전을 사용하고 2개의 편광 상태들 사이의 고속 스위칭을 성취하는 구동 방법을 도시한 도면.
도 5는 도 3a 내지 도 3d의 제 1 바람직한 실시예에 있어서, 각각의 서브프레임 내에서 DC 밸런싱을 성취하기 위해 바이폴라 펄스들을 사용하는 제 1 대체의 구동 방법을 도시하는 도면.
도 6은 도 3a 내지 도 3d의 제 1 바람직한 실시예에 있어서, 스위칭 속도를 증가시키기 위해 오버드라이브 펄스(overdrive pulse)들을 사용하는 제 2 대체의 구동 방법을 도시한 도면.
도 7은 제 2 바람직한 실시예에 따라 액티브 안경에 대한 구동 방법을 도시한 도면.
도 8은 이미지들이 업데이트되고 있을 때의 기간 동안 블랭킹을 포함하는 제 3 바람직한 실시예에 따라 액티브 안경에 대한 구동 방법을 도시한 도면.
도 9a 내지 도 9d는 패시브 또는 액티브 뷰잉 안경을 사용하여 입체 3D 시스템에 포함될 수 있는 편광 변조기인 제 4 바람직한 실시예에서 제 1 및 제 2 포지티브 ECB 액정 디바이스들에 인가된 여러 구동 전압들에 의해 전달되는 출력 편광에 대한 효과를 도시한 도면.
도 10a 내지 도 10d는 도 9a 내지 도 9d의 제 4 실시예에 있어서, 두 개의 포지티브 ECB 액정 디바이스들을 사용하여 광 셔터의 측정된 구동 파형들 및 광학 스위칭 응답을 도시한 도면.
도 11a 내지 도 11d는 패시브 또는 액티브 뷰잉 안경을 사용하여 입체 3D 시스템에 포함될 수 있는 편광 변조기인 제 5 바람직한 실시예에서 제 1 및 제 2 액정 pi-셀들에 인가된 여러 구동 전압들에 의해 전달되는 출력 편광에 대한 효과를 도시한 도면.
도 12는 스위칭 속도를 증가시키기 위해 오버드라이브 및 언더드라이브 펄스들의 결합을 사용하는 구동 방법을 도시한 도면.
도 13a 및 도 13b는 도 9a 내지 도 9d의 편광 변조기로 구성된 패시브 입체 3D 뷰잉 시스템을 도시한 도면.
도 14는 도 13a 및 도 13b의 패시브 입체 3D 뷰잉 시스템의 제 1 및 제 2 서브프레임들 동안 생성된 클리어 및 광 차단 상태들의 시뮬레이트된 광학 전달 스펙트럼을 도시한 도면.
도 15a 및 도 15b는 편광 변조기가 좌수 및 우수 원형 편극광 사이를 스위칭하도록 구현되는 도 13a 및 도 13b의 패시브 입체 3D 뷰잉 시스템을 도시한 도면.
도 16은 서로 다른 파장 분산 특성을 나타내는 3개의 1/4 파장 광학 리타더들로 구성된 도 15a 및 도 15b의 패시브 입체 3D 뷰잉 시스템의 좌안에 대한 광 차단 상태의 시뮬레이트된 전송 스펙트럼을 도시한 도면.
도 17은 폴리카보네이트로 구성된 1/4 파장 광학 리타더들과 ECB 디바이스들로 구성된 도 15a 및 도 15b의 패시브 입체 3D 뷰잉 시스템의 광학 전송의 시뮬레이션들의 결과들을 도시한 도면.
도 18은 도 17을 참조하여 설명된 것과 같이 구성된 도 15a 및 도 15b의 패시브 입체 3D 뷰잉 시스템의 광학 전송의 실제 측정들을 도시한 도면.
도 19는 관찰자의 우안 및 좌안에 제공되는 투시 이미지들의 뷰잉 각도를 개선하기 위해 선택적인 C 보상기로 구현되는 도 15a 및 도 15b의 패시브 입체 3D 뷰잉 시스템을 도시한 도면.
도 20a 내지 도 20d는, 선택적인 C 보상기의 사용 없이 좌안 및 우안 각각에 대한 낮은 콘트라스트 뷰잉 각도 성능을 제공하는 도 20a 및 도 20b와, 선택적인 C 보상기의 사용으로 우안 및 좌안 각각에 대한 높은 콘트라스트 뷰잉 각도 성능을 제공하는 도 20c 및 도 20d와 함께, 도 19의 패시브 입체 3D 뷰잉 시스템에 대한 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 다이어그램들을 도시한 도면.
도 21은 도 19의 패시브 시스템에 사용된 것과 유사한 편광 변조기로 구성되고 양극의 뷰잉 각도(polar viewing angle)의 넓은 범위 이상 콘트라스트 비율을 개선하기 위해 광학 경로에 C 보상기를 포함하는 액티브 입체 3D 뷰잉 시스템을 도시한 도면.
도 22a 및 도 22b는 도 21에 도시된 것처럼 C 보상기를 광학 경로에 포함시킴으로써 최소의 고스팅 효과들(minimal ghosting effects)을 갖는 높은 콘트라스트 뷰잉 각도의 범위가 확대될 수 있는 비교로 증명하는 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 다이어그램들을 도시한 도면.
도 23a 내지 도 23d는 액티브 또는 패시브 뷰잉 안경을 사용하여 입체 3D 시스템에 포함될 수 있는 편광 변조기인 제 6 바람직한 실시예에서 제 1 및 제 2 액정 VAN 셀들에 인가되는 여러 구동 전압들에 의해 제공되는 출력 편광에 대한 효과를 도시한 도면.
도 24a 및 도 24b는 뷰잉 각도 보상을 사용하거나 사용 없이 액티브 입체 3D 뷰잉 시스템에 포함된 도 23a 내지 도 23d의 편광 변조기를 도시한 도면.
도 25a 및 도 25b는 높은 콘트라스트 뷰잉 각도의 범위의 확대에 따른 뷰잉 보상의 영향을 비교하여 증명하는 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 다이어그램들을 도시한 도면.
도 26은 도 19에 도시된 것과 같은 1/4-파형 광학 리타더들로 구성된 패시브 입체 3D 뷰잉 시스템에 포함되는 도 23a 내지 도 23d의 편광 변조기를 도시한 도면.
도 27a 및 도 27b는 도 26의 패시브 안경의 좌 및 우 접안 렌즈들(left and right eyepieces) 각각에 대한 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 다이어그램들을 도시한 도면.
도 28은 도 23a 내지 도 23d의 편광 변조기와, 상이한 광학 보상기가 좌 및 우 접안 렌즈들에 사용된 패시브 안경과 함께 구성된 패시브 입체 뷰잉 시스템을 도시한 도면.
도 29a 및 도 29b는 도 28d의 패시브 안경의 별도로 보상된 좌 및 우 접안 렌즈들 각각에 대한 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 다이어그램들을 도시한 도면.
도 30은 도 9a 내지 도 9d의 편광 변조기와, 서로 다른 보상기들이 좌 및 우 접안 렌즈들에 사용된 패시브 안경과 함께 구성된 패시브 입체 뷰잉 시스템을 도시한 도면.
도 31a 및 도 31b는 도 30의 패시브 안경의 별도로 보상된 좌 및 우 접안 렌즈들 각각에 대한 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 다이어그램들을 도시한 도면.
도 32는 ECB 액정 혼합물의 정규화된 복굴절과 VAN 액정 혼합물의 정규화된 복굴절의 시뮬레이트된 온도 의존성을 도시한 도면.
도 33은 도 32에 표현된 ECB 액정 혼합물로 채워진 ECB 디바이스에 의해 제공되는 위상 시프트의 시뮬레이트된 전압 의존성을 20°C에 대해 도시한 그래프.
도 34는 도 32에 표현된 ECB 액정 혼합물의 여러 작동 온도에 대해 일정한 180° 위상 시프트의 4개의 VH 대 VL 곡선들을 도시한 도면.
도 35는 편광 상태 변조기의 액정 디바이스들에 의해 제공된 180° 위상 시프트를 온도의 넓은 범위에 걸쳐 유지하기 위해 VH 및 VL 레벨들을 조정하도록 구성된 전기 회로의 간단한 블록 다이어그램.
도 36은 도 32에 표현된 VAN 액정 혼합물로 채워진 VAN 디바이스에 의해 제공되는 위상 시프트의 시뮬레이트된 전압 의존성을 20°C에 대해 도시한 그래프.
도 37은 도 32에 표현된 VAN 액정 혼합물의 여러 작동 온도에 대해 일정한 180° 위상 시프트의 4개의 VH 대 VL 곡선들을 도시한 도면.
첨부한 도면들을 참조하여 진행하는 바람직한 실시예의 다음 상세한 설명으로부터 추가적인 관점들 및 장점들은 명백하게 된다.
바람직한 실시예들은, 광학 시리즈로 배열되고 입력 편광 상태의 입사광이 전파되는 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에 기초한다. 제 2 액정 디바이스는, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들을 통해 일반적으로 통과하는 입사광의 모든 파장들의 편광 상태를 변경하지 않는 특성을 나타내기 위해 제 1 액정 디바이스가 입력 편광 상태로 되게 하는 변화를 보상한다. 본 명세서에서 광학 시리즈로 배열되어 편극광이 전파되는 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에 대해 사용된 보상은, 제 1 액정 디바이스가 제 1 액정 디바이스에 입력되는 광의 입력 편광 상태를 변경시키는 모든 방식에 있어서, 제 2 액정 디바이스를 빠져 나가는 광의 출력 편광 상태가 입력 편광 상태와 동일한 결과를 갖도록 제 2 액정 디바이스는 상기 변화를 반전 또는 상쇄한다는 것을 의미한다. 상기 보상을 위하여, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 다음 조건들을 충족한다. (1) 액정 디바이스들은 동일한 셀 갭들(cell gaps)을 갖고, (2) 액정 디바이스들은 키랄 도판트들이 부가되지 않는 한 동일한 액정 물질이 채워지며, 이 경우에, 도판트들은 동일하지만 반대의 키랄성을 갖고; (3) 두 개의 액정 디바이스들 사이에 위치된 위상차 판(retardation plate) 또는 편광판과 같은 편광-변경 광학 소자가 존재하지 않으며; 그리고, (4) 두 개의 액정 디바이스들 중 하나의 디렉터 필드는 다른 액정 디바이스의 디렉터 필드의 90도 회전된 미러 이미지가 된다. 마지막 조건이 충족되는 경우에, 두 개의 액정 디바이스들 중 하나는 그들에 인가되는 전압들과 동일한 전압을 갖거나, 동일한 인가되는 전압들은 다른 동일한 인가되는 전압들로의 변화를 경험하며, 두 개의 액정 디바이스들의 액정 디렉터 필드들은 해당하는 새로운 대응하는 균형 조건에 동적으로 완화한다. 서로 다른 전압들이 그들에 인가된다면, 두 개의 액정 디바이스들은 보상하지 않는다.
액정 디렉터 필드는 액정 디바이스에 걸쳐 변화하는 액정 분자의 로컬 광축(local optic axis)의 방위를 설명한다. 액정 디스플레이의 디렉터 필드는 방위가 디바이스에 걸쳐 연속으로 변경할 수 있는 디렉터들의 세트에 의해 특징지어 진다. 도 1은, 단위 벡터(n)로 표현되는 디렉터 또는 로컬광축의 방위가 액정 물질이 포함된 기판들 중 하나의 기판에 평행한 평면으로 형성되는 각도 디렉터인 경사각 (θ)과, 평면(10)상으로 디렉터(n)의 각도 투영(12)(projection)이 X-축으로 형성되는 방위각 (φ)으로 표현될 수 있는 것을 도시한다. 도2는 경사 및 방위각들이 액정 디바이스의 두께 치수(Z-축)에 걸쳐 여러 위치들에서 어떻게 변화하는지를 나타내는 제 1 액정 디바이스 (좌측 그래프) 및 제 2 액정 디바이스(우측 그래프)의 경사 및 방위각 프로필들의 예를 제공하는 두 개의 그래프이다. 이들 프로필들은 각각의 디바이스의 디렉터 필드 상태를 정의한다. 제 1 액정 디바이스의 Z-축을 따라 임의의 위치(n)에서의 디렉터의 방위는 경사각(θ1(z)) 및 방위각(φ1(z))으로 표현될 수 있고, 제 2 액정 디바이스의 임의의 위치에서의 디렉터의 방위는 경사각(θ2(z)) 및 방위각(φ2(z))으로 표현될 수 있다.
편광 상태 보상, 즉 제 2 액정 디바이스의 디렉터 필드가 제 1 액정 디바이스의 디렉터 필드의 90도 회전된 미러 이미지가 되는 조건(4)의 수학식 설명은 다음 두 개의 식으로 표현될 수 있다.
θ2(z) = -θ1(d-z)
φ2(z) = φ1(d-z)-90°
여기서, d는 두 개의 액정 디바이스들에 대한 셀 갭이고, 액정 디바이스 입구 표면들에서 z = 0, 액정 디바이스 출구 표면들에서 z = d가 된다. 예시를 위해, 상기 식들은 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에 대한 경사각 및 방위각 프로필들을 도시하는 도 2의 예에 따른다.
도 3a 내지 도 3d는 패시브 또는 액티브 뷰잉 안경과, 실질적으로 동일한 기간의 대체 서브프레임 동안 장면의 제 1(좌안) 투시 이미지들 및 제 2(우안) 투시 이미지들을 생성하는 이미지 소스(22)와 함께 사용되는 입체 3D 뷰잉을 위한 편광 변조기(20)인 제 1 바람직한 실시예를 도시한다. 도 3a는 광학 시리즈로 결합되고 종래의 90° TN 타입으로 되는 제 1 TN 디바이스(26) 및 제 2 TN 디바이스(28)가 이어지는 왼쪽에서의 입력 편광판(24)을 도시한다. 제 1 TN 디바이스(26)는 광학적으로 투명한 전극 층들(32)이 형성되는 내부 표면들을 갖는 글라스 기판 플레이트들(30) 사이에 포함된 액정 물질로 구성된다. 액정 물질은 전극 표면 접촉 디렉터들(34c) 및 전극 표면-비접촉 디렉터들(34n)을 포함한다. 제 2 TN 디바이스(28)는 광학적으로 투명한 전극 층들(38)이 형성되는 내부 표면들을 갖는 글라스 기판 플레이트들(36) 사이에 포함된 액정 물질로 구성된다. 액정 물질은 전극 표면 접촉 디렉터들(40c) 및 전극 표면-비접촉 디렉터들(40n)을 포함한다. 입력 편광판(24)은 이미지 소스(22)로부터 전파되고 좌 및 우안 투시 이미지들을 전달하는 광에 수직 입력 편광 상태 또는 방향(42)을 제공한다.
도 3a는 디스플레이 구동 회로(52)의 각각의 스위치(501및 502)에 의해 개략적으로 표시되는 것처럼 TN 디바이스들(26 및 28) 둘 모두에 인가되는 동일한 낮은 전압 크기 구동 신호들(VL)을 도시한다. 구동 신호(VL)는 TN 임계 전압 아래 또는 심지어 제로가 된다. 이 전압에서, 각각의 TN 디바이스(26 및 28) 내의 표면-비접촉 디렉터들(34n 및 40n)은 입구 표면(54)에서 출구 표면(56)으로 Z-축 방향으로 90° 균일하게 회전하고, 회전의 방식은 TN 디바이스(26)에서 좌수가 되고 TN 디바이스(28)에서 우수가 된다. TN 디바이스들(26 및 28)의 각각은 이미지 소스(22)로부터 전파되는 입사광의 수직 입력 편광 방향(42)(0°)을 "도파(waveguiding)" 처리로 90°만큼 회전시키는 것이 고려될 수 있어, TN 디바이스(26)는 좌수 방식으로 수직 입력 편광 방향(42)은 +90° 회전하고, TN 디바이스(28)는 0°의 원래의 수직 입력 편광 방향(42)에 대해 역으로 우수 방식인 반대로 -90° 만큼 회전시킴으로써 회전을 반전시킨다. 결합된 TN 디바이스들(26 및 28)은, 입사광의 편광의 상태가 그들 디바이스들을 통해 통과한 이후에 불변 상태로 되어, 출력 편광 상태 또는 입력 편광 방향(42)과 동일한 방향(44)을 유지하도록 보상한다.
도 3b는 TN 디바이스들(26 및 28)에 인가되는 동일한 고전압 크기 구동 신호들(VH)을 도시하며, 디렉터들(34c 및 40c)의 얇은 층들을 제외하고, 전극 층들(32 및 38)에 의해 각각 정의되는 액정 디바이스 경계들에 거의 수직인 표면-비접촉 디렉터들(34n 및 40n)을 정렬한다. 또한, 조합된 TN 디바이스들(26 및 28)은 그 전압에서 보상된다.
도 3c는 구동 신호들(VH)이 TN 디바이스들(26 및 28)로부터 제거되고 구동 신호들(VL)로 대체된 이후의 짧은 시간이 디스플레이 구동 회로(52)에서 각각의 스위치 위치들 (501 및 502)에 의해 개략적으로 표시되는 디렉터 방위의 스냅 샷을 도시한다. TN 디바이스들(26 및 28)의 각각의 중간에 작은 화살표들(58)은 그들 각각의 표면-비접촉 디렉터들(34n 및 40n)이 트위스트 상태로 다시 완화하는 과정에 있는 것을 나타낸다. 이 경우에 동적 보상이 이루어진다.
도 3d는, TN 디바이스(26)가 고전압 크기의 구동 신호(VH)에 의해 턴-온 되고, TN 디바이스(28)가 VL로 유지되는 경우를 도시한다. TN 디바이스들(26 및 28)의 결합은 TN 디바이스들(26 및 28)에 인가되는 구동 신호들이 서로 다르기 때문에, 더 이상 보상이 이루어지지 않는다. 제 1 TN 디바이스(26)는 변화되지 않은 편광 상태를 유지하고, 제 2 TN 디바이스(28)는 -90° 만큼 편광의 상태를 회전시킨다. 따라서, TN 액정 디바이스들(26 및 28)의 결합은 입력 편광 방향(42)에서 수평 출력 편광 방향(44)으로 -90° 만큼 편광의 상태를 회전시킨다.
도 4는 제 1 바람직한 실시예에 있어서 두 개의 편광 상태들 사이에서 고속, 전력화된 스위칭의 결과를 나타내는 전자 구동 방식을 도시한다. 도 4에서, 라인(a)은 제 1 TN 디바이스(26)에 인가되는 구동 신호를 도시하고, 도 4에서 라인(b)은 제 2 TN 디바이스(28)에 인가되는 구동 신호를 도시한다.
제 1 서브프레임의 시작(t = t0)에서, -VH에서 시작하는 고전압 레벨(+VH)은 제 1 TN 디바이스(26)에 인가되고, 제로에서 시작하는 고전압 레벨(+VH)은 제 2 TN 디바이스(28)에 인가된다. 전압들(+VH 및 -VH)은 동일한 크기로 되어 있고, 네마틱 액정 물질은 극성에 감지되지 않기 때문에 동일하게 그 전압들에 응답한다. 동일한 크기들이지만 반대 부호를 갖는 구동 전압들은 액정 물질의 장기 안정성을 보존하기 위한 순(net) DC 밸런싱을 성취하는데 이용된다. VH의 크기는 전형적으로 25 볼트이지만, 액정 물질의 원하는 스위칭 속도 및 임계 전압에 따라 높게 또는 낮게 될 수 있다. 제 1 TN 디바이스(26)는 이미 고전압 크기 레벨(VH)에 있고, 제 2 TN 디바이스(28)에서 0으로부터 +VH로의 천이는 전력화된 천이이며, 그래서, 보상은 빠르게 성취되고, 그 결과 편광 방향은 이 시간 주기 동안 도 4의 라인(e)에 도시된 것처럼 0°에서 수직으로 유지된다. 도 4에서 라인(c 및 d)은 제 1 및 제 2 TN 디바이스들(26 및 28)의 중간에 있는 디렉터들의 중간층 경사각들이 상기 전압에서 거의 90°가 되는 것을 나타낸다(도 3b 또한 참조). t = t1에서, VL은, 본 경우에 VL = 0이 되고, TN 디바이스들(26 및 28) 둘 모두에 동시 인가되며, t1은 t = t2에서 제 1 서브프레임의 종료 이전에 액정 물질이 균형 상태로 실질적으로 완화하는 제 1 서브프레임 기간 내에 충분히 초기에 선택된다. 이러한 완화는 그 시간 주기 동안 중간층 경사각들의 감쇠에 의해 도 4의 라인(c 및 d)에 나타낸다(도 3c를 참조). TN 디바이스들(26 및 28)은 제 1 정적 보상시 제 1 서브프레임에 걸쳐 보상하고, 나중에 TN 디바이스들(26 및 28)은 동시에 완화하는 동안 동적 보상한다. 심지어 완화가 발생하더라도, t = t1에서 TN 디바이스들(26 및 28) 모두에서 +VH에서 제로까지 비전력화, 저속의 천이들의 광학 효과는 “히든(hidden)”(예를 들어, 관찰자에 광학적으로 보이지 않음)을 유지하고, 출력 편광은 도 4의 라인(e)에 의해 표시된 것처럼 제 1 서브프레임 전체 동안 0°에서 수직으로 편광된 상태를 유지한다. 제 1 서브프레임의 종료에서, TN 디바이스들(26 및 28)은 도 3a에 표시된 것처럼 저전압 상태에 있다.
제 2 서브프레임의 시작(t = t2)에서, TN 디바이스(26)는 고전압 레벨(+VH)로 다시 턴-온 되고, TN 디바이스(28)는 도 4에서 라인들(a 및 b)에 표시된 것처럼 저전압 레벨(VL)에서 유지되며(도 3d 또한 참조), 이들 구동 전압들은 t = t3에서 제 2 서브프레임의 종료까지 유지된다. t = t2에서, 제로에서 +VH까지 제 1 TN 디바이스(26)의 스위칭은 전력화된 천이가 되고, 이에 따라 매우 빠르다. 제 2 서브프레임 동안, TN 디바이스들(26 및 28)은 더 이상 보상하지 않으며, 이제 이들 결합은 도 4의 라인(e)에서 표시된 것처럼 90° 편광 회전자와 같이 동작하고, 제 1 TN 디바이스(26)는 더 이상 입력 편광 효과를 갖지 않지만, 제 2 TN 디바이스(28)는 편광 방향 회전을 실행한다.
t = t3에서 시작하는 다음 서브프레임은, DC 밸런싱을 보전하기 위하여 인가되는 구동 신호 전압들이 동일한 크기를 갖지만 반대 부호를 갖는 반전된 제 1 서브프레임이다. 동일한 방식으로, 다음 서브프레임은 반전된 제 2 서브프레임이다. 구동 신호 파형은 도 4에 도시된 마지막 서브프레임 이후에 반복한다. 전압 반전된 서브프레임들의 도 4의 라인들(c 내지 e)에서 곡선들의 부분들은 네마틱 액정이 극성으로 감지되지 않기 때문에 제 1 및 제 2 서브프레임들의 것들과 동일하다. 이와 같은 편광 스위칭 처리는 무한정으로 계속될 수 있으며, 액정 디바이스 결합은 홀수 서브프레임들 동안 0°에서 수직 편극광을 통과시키고, 짝수 서브프레임들 동안 90°에서 수평 편극광을 통과시킨다.
도 4의 라인들(f 및 g)은, 예를 들어, 좌 접안 렌즈들에서 수직으로 배향된 분석 편광판인 제 1 뷰잉 디바이스와 예를 들어, 우 접안 렌즈들에서 수평으로 배향된 분석 편광판인 제 2 뷰잉 디바이스를 포함하는 패시브 안경 또는 패시브 디코더를 착용한 관찰자가 볼 수 있는 출력 광학 투명성을 도시한다. 도 3a 내지 도 3d에 도시된 출력 편광판(60)은 패시브 디코더의 두 개의 분석 편광판들 중 하나를 나타낸다. 이러한 구성에 따라, 좌 접안 렌즈는 홀수 서브프레임들 동안 개방되고, 짝수 서브프레임들 동안 폐쇄되며, 우 접안 렌즈는 짝수 서브프레임들 동안 개방되고, 홀수 서브프레임들 동안 폐쇄된다. 본 실시예는 편광 스위치로부터 어떤 거리에서 분리된 관찰자에 적당하며, 이는 이미징 소스(22)에 부착될 수 있으며, 편광은 극장의 경우가 될 수 있는, 코딩된 편광은 좌안 및 우안 이미지들이 공기를 통해 전송될 수 있는 상태로 유지한다. 입체 3D 뷰잉은, 이미징 소스(22)가 홀수 서브프레임들 동안 좌안 이미지들을 디스플레이하고, 짝수 서브프레임들 동안 우안 이미지들을 디스플레이할 때 이루어진다. 도 4의 라인들(f 및 g)에 의해 도시된 광학 천이들은 전력화된 천이이기 때문에 매우 빠르다. 액정 디바이스들을 리셋하는데 사용되는 느린 비전력화된 천이들은 히든을 유지하고, 결코 그들 자신은 광학적으로 보이지 않는다.
제 1 바람직한 실시예에 기재된 시스템은 수직 편광 및 수평 편광 방향들 사이의 90° 만큼 선형으로 편극광을 스위칭한다. 입력 편광판(24) 및 TN 디바이스들(26 및 28)을 45° 만큼 회전하는 것은 편광 변조기(20)가 +45° 와 -45° 사이의 선형의 편극광을 스위칭하게 되며, 이는 각각의 접안의 렌즈에서 편광판이 또한 45° 만큼 회전하는 동안 패시브 안경 시스템을 작동하게 된다.
제 1 바람직한 실시예의 편광 회전자는, 결합된 TN 디바이스들(26 및 28)의 출력에 배치함으로써, 우수 및 좌수-원형 편극광 사이에서 스위칭하도록 또한 구성될 수 있으며, 주축은 1/4 파형 판을 제 2 TN 디바이스(28)의 출구 표면(56)으로부터 전파되는 광의 선형 편광 방향으로 45°에서 배향된다.
다. 이 경우에, 패시브 안경의 렌즈들에는 편광 필름들의 전면에 적층된 1/4 파형 리타더 필름이 제공될 수도 있다. 1/4 파형 필름들은 멀티-필름 무색 타입 또는 간단한 싱글-필름 유색 타입 중 하나로 될 수 있다.
숙련된 사람들은 DC 밸랜스를 유지하기 위해 제 1 바람직한 실시예의 제 1 및 제 2 TN 디바이스들(26 및 28)에 인가되는 전압들의 극성들을 반전시키는 시퀀스가 자유롭다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 도 4의 라인들(a 및 b)에 도시된 것처럼, 개별 서브프레임들 내의 진폭(+VH 및 -VH)의 유니폴라 구동 신호 펄스들 대신에, 그들 펄스들은 진폭들(+VH 및 -VH)의 바이폴라의 타입들로 될 수 있으며, 이때, 도 5에 도시된 것처럼, 서브프레임 단위로 DC 밸런스가 자동으로 이루어진다. 더욱이, 제 1 및 제 2 TN 디바이스들(26 및 28) 중 어느 하나 또는 둘 다에 인가되는 구동 신호 파형들은 기재된 동작 원리로부터 벗어남이 없이 도 4의 라인들(a 및 b)에 도시된 것으로부터 반전된 그들 극성을 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 TN 디바이스들(26 및 28)에 인가되는 구동 신호 파형들은 또한 상호 교환될 수도 있다.
도 4의 구동 방식의 0에서 VH로의 턴-온 시간은, 크기(VH)의 펄스가 인가되기 이전에 크기(VOD)의 짧은 오버드라이브 펄스의 인가에 의해 보다 빠르게 될 수 있으며, 여기서, |VOD| > |VH|가 된다. 오버드라이브 펄스의 진폭 및 폭은, 액정 물질 내의 디렉터 필드가 정상 상태 VH 전압에 대응하는 상태에 도달할 때, VOD 펄스가 턴-오프 되고 VH 펄스가 인가되도록 선택될 수 있다. 이는 도 6의 라인들(a 및 b)에 도시되어 있으며, 도 4의 라인들(a 및 b)과 비교된다. 이러한 오버드라이브 방식에 따라, VH의 크기를 감소시킬 수 있으며, 여전히 고속 응답 시간을 가질 수 있다. 오버드라이브 펄스의 사용은 일부 액티브 3D 안경에서와 같이 배터리-동작되는 디바이스들에서 중요한 요인이 되는 전력 소비를 크게 줄일 수 있다.
도 7은 제 2 바람직한 실시예에서 TN 편광 변조기(20)에 대한 구동 신호 조건들을 도시하며, 여기서, 분석 또는 출력 편광판(60)은 편광 변조기(20)와 결합되어, 좌안 및 우안 이미지 서브프레임들을 보여 주는 이미지 소스(22)와 함께 입체 3D 뷰잉을 위한 액티브 안경에서 광 셔터로서 동작하도록 할 수 있다. 액티브 안경의 좌 및 우 접안 렌즈 조립체들은, 도 3a에 도시된 것처럼, 입력 편광판(24)과 출력 편광판(60) 사이에 배치되는 제 1 TN 디바이스(26) 및 제 2 TN 디바이스(28)를 각각 포함하는 동일한 구조를 갖는다. 입력 편광판(24) 및 출력 편광판(60)의 광전송 편광축들은 서로 직각으로 설정된다. 우 접안 렌즈의 제 1 및 제 2 TN 디바이스들(26 및 28)에 대한 구동 신호 파형들은 도 7의 라인들(a 및 b)에 도시되어 있고, 좌 접안 렌즈에 대해서는 도 7의 라인들(c 및 d)에 도시되어 있다. 좌안에 대한 구동 신호 파형들은 하나의 서브 프레임 기간만큼 위상 시프트된 것을 제외하고 우안에 대한 것과 동일하다. 우 접안 렌즈의 광학 전송은 도 7의 라인(e)에 도시되어 있으며, 여기서, 우 접안 렌즈는 좌안 이미지 서브프레임 동안 폐쇄되고 우안 이미지 서브프레임 동안 개방되는 것에 주목한다. 마찬가지로, 좌 접안 렌즈의 광학 전송은 도 7의 라인(f)에 도시되어 있으며, 여기서, 좌 접안 렌즈는 좌안 이미지 서브프레임 동안 개방되고 우안 이미지 서브프레임 동안 폐쇄되는 것에 주목한다. 본 제 2 실시예는 디지털 제어되는 마이크로미러들을 이용하는 텍사스 인스투르먼트 DLP 이미징 디바이스와 같은 울트라 고속-이미저와 함께 이용될 때 특히 적합하다. 이는 디지털 디바이스이기 때문에, DLP는 서브프레임 기간에 걸쳐 디지털 펄스들의 시리즈를 통해 그레이 스케일을 코딩한다. DLP 이미징 디바이스와 함께 사용될 때, 매우 빠른 광학 셔터는 셔터가 개방될 때 높은 전체 전송을 유지하고, 또한, 각각의 서브프레임의 시작 또는 종료에서 제공되는 필수적인 그레이 레벨 정보의 감쇄를 방지하며, 이러한 정보는 느린 응답 셔터로 감쇠되어야 하고 이미지 렌더링을 저하한다.
도 8은 제 3 바람직한 실시예에서 입체 3D 뷰잉에 사용되는 액티브 안경에 대한 구동 조건들을 도시한다. 제 3 실시예에서 구동 조건들은, 전자의 구동 신호 파형들이 각각의 서브프레임의 시작에서 블랭킹 기간들을 생성하는 것을 제외하고, 도 7의 제 2 실시예에 도시된 구동 조건들과 유사하다. 일부 이미징 디바이스들에 있어서, 이미지를 업데이트하는데 필요한 특정 시간이 존재한다. 예를 들어, 우안 이미지가 상단에서 시작하는 스크린 상에 기록되고 있을 때, 스크린의 하부는 여전히 이전의 좌안 이미지를 디스플레이한다. 그래서, 우안 이미지가 업데이트되는 기간 동안, 우안 및 좌안을 위한 셔터 렌즈들은 부적절한 크로스토크 또는 고스팅 효과들을 피하기 위해 폐쇄된다. 이와 유사한 상황은 좌안 이미지가 업데이트되고 있을 때 발생한다.
도 8의 라인들(a 및 b)은 우 접안 렌즈에서 각각의 제 1 및 제 2 TN 디바이스들(26 및 28)에 대한 구동 신호 파형들을 도시한다. 좌안 서브프레임의 시작으로부터의 기간(t0 내지 ti) 동안, 우안에 대한 제 1 및 제 2 TN 디바이스들(26 및 28)은 높은 크기의 전압 레벨(VH)을 수신하고, TN 디바이스들(26 및 28)은 보상하여, 도 8의 라인(e)의 도시된 광학 응답 곡선과 같은 광 차단 조건을 결과를 얻는다. 좌안 이미지 서브프레임의 나머지 서브프레임 동안, 이 경우에 제로인 낮은 크기의 전압 레벨(VL)은 우 접안 렌즈의 제 1 및 제 2 TN 디바이스들(26 및 28)에 인가되고, 이들 디바이스는 우 접안 렌즈가 폐쇄 상태를 유지하는 결과로서 동적 보상을 유지하면서 감쇠한다. 시간(t1)은 좌안 이미지가 업데이트될 때 기간(Lu) 내에 발생할 수 있거나, 업데이트 기간(Lu) 동안 또는 그 이후에 발생할 수 있다. 우안 이미지가 기간(Ru) 동안 업데이트될 때 우 이미지 서브프레임의 시작에서, 우안 렌즈의 제 1 및 제 2 TN 디바이스들(26 및 28)은 VL을 수신하여, TN 디바이스들(26 및 28)이 보상하도록 하여, 도 8의 라인(e)에서 광학 응답 곡선에 의해 도시된 것처럼 광 차단 조건의 결과를 얻는다. 기간(R)의 시작에서, 우안 이미지가 업데이트될 때, 우 접안 렌즈의 제 1 TN 디바이스(26)는 고전압 크기 레벨(VH)로 턴-온 되고, 제 2 TN 디바이스(28)는 VL로 유지되며, 그 결과는 우 접안 렌즈가 이 기간 동안 개방되어, 관찰자가 업데이트된 우안 이미지를 볼 수 있도록 한다.
도 8의 라인들(c 및 d)은 좌 접안 렌즈의 각각의 제 1 및 제 2 TN 디바이스들(26 및 28)에 대한 구동 신호 파형들을 도시한다. 좌 접안 구동 신호 파형들은 하나의 서브프레임 기간만큼 시프트된 우 접안 구동 신호 파형들의 바로 위상-시프트된 버전들이 된다는 것이 주목된다. 따라서, 도 8의 라인(f)에 도시된 결과 광학 응답은 도 8의 라인(e)에 도시된 우안 응답의 바로 위상-시프트된 버전이 된다. 도 8의 라인들(e 및 f)을 참조하면, 좌안 및 우안에 대한 원하는 광학 응답들이 달성된다. 업데이트 기간(Lu 및 Ru) 동안, 우 및 좌 접안 렌즈들 모두는 폐쇄된다. 좌안 서브프레임의 일부 동안, 좌안 이미지가 완전히 업데이트될 때, L, 좌 접안 렌즈만이 개방되고, 우안 서브프레임의 일부 동안, 우안 이미지가 완전히 업데이트될 때, R, 우 접안 렌즈만이 개방된다.
TN 모드 이외에, 다른 액정 전자-광학 모드들이 또한 편광 상태 보상을 실행하기 위해 사용될 수도 있다. 제 4 바람직한 실시예는 두 개의 전기적으로 제어되는 복굴절 (ECB) 액정 디바이스들을 이용한다. ECB 액정 디바이스들은 두 개의 타입들로 되어 있고, 이들은 포지티브 유전율 이방성을 갖는 액정 물질을 이용하고, 네거티브 유전율 이방성을 갖는 액정 물질을 이용한다. 후자의 타입은 수직으로 정렬된 (VA) 또는 수직으로 정렬된 네마틱 (VAN) 모드들로서 지칭되기도 한다. 포지티브 및 네거티브 타입들 모두는 본 개시에 따라 사용될 때 편광 변조기들에 적합하다.
도 9a 내지 도 9d는 두 개의 포지티브 ECB 모드 액정 디바이스들을 이용하는 편광 변조기(80)의 예를 도시한다. 도 9a는 광학 시리즈로 결합된 제 1 ECB 액정 디바이스(84) 및 제 2 ECB 액정 디바이스(86)가 뒤따르는 입력 편광판(82)을 좌측에 도시한다. 제 1 ECB 디바이스(84)는 광학적으로 투명한 전극 층들(90)이 형성되는 내부 표면들을 갖는 글라스 기판 플레이트들(88) 사이에 포함된 액정 물질로 구성된다. 액정 물질은 전극 표면 접촉 디렉터들(92c) 및 전극 표면-비접촉 디렉터들(92n)을 포함한다. 제 2 ECB 디바이스(86)는 광학적으로 투명한 전극 층들(96)이 형성된 내부 표면들을 갖는 글라스 기판 플레이트들(94) 사이에 포함된 액정 물질로 구성된다. 액정 물질은 전극 표면 접촉 디렉터들(98c) 및 전극 표면-비접촉 디렉터들(98n)을 포함한다. 두 개의 ECB 액정 디바이스들(84 및 86)은 이전에 설명한 것처럼 보상을 위한 조건들을 만족한다. 이미지 소스(22)로부터 전파되는 광은, 편광의 방향이 도면의 평면으로 +45° 각도가 되는 것을 나타내는 경사된 실린더에 의해 도시된, 입력 편광 방향(100)으로 편광판(82)을 빠져나간다.
도 9a는 디스플레이 구동 회로(102)로부터 ECB 디바이스들(84 및 86) 모두에 인가되는 구동 신호의 저전압 크기 레벨(VL)을 도시한다. 구동 신호 레벨(VL)은 ECB 임계 전압 아래에 있거나 심지어 제로가 될 수 있다. 이 전압에서, 제 1 ECB 디바이스(84)의 디렉터들(92c 및 92n)은 도면의 평면에 있고 기판 플레이트들(88)에 형행하게 있으며, 제 2 ECB 디바이스(86)의 디렉터들(98c 및 98n)은 도면에 수직인 평면에 있고 기판 플레이트들(94)에 평행하게 있다. 이는 제 1 ECB 디바이스(84)의 측면에서 본 로컬 디렉터들을 나타내는 실린더들(92c 및 92n)과, 제 2 ECB 디바이스(86)의 단부에서 본 실린더들(98c 및 98n)에 의해 도시된다. 각각의 기판 플레이트들(88 및 94)의 내부 표면들에 관련된 표면 접촉 디렉터들(92c 및 98c)의 작은 선경사각들은 도시되지 않았다. 각각의 ECB 디바이스(84 및 86) 내에서, 로컬 디렉터들은 서로 평행하다. 인가된 구동 신호 레벨(VL)에서, ECB 디바이스들(84 및 86) 둘 다는 이들 각각에 대한 동일한 면상 위상차(in-plane retardation)(Γ0)에 의해 특징지어 진다. 도 9a에 있어서, 두 개의 ECB 디바이스들(84 및 86)은 보상하고, 입사광의 편광의 상태는 두 디바이스들의 결합을 통해 통과한 이후에 불변의 상태로 남는다.
도 9b는 제 1 ECB 디바이스(84) 및 제 2 ECB 디바이스(86) 둘 다에 인가되는 동일한 구동 신호 고전압 크기 레벨(VH)을 도시하며, 이에 의해, 디렉터들(92c 및 98c)의 얇은 표면 층들이 아닌 전극 층들(90 및 96)에 의해 각각 한정되는 액정 디바이스 경계들에 거의 수직인 디렉터들(92n 및 98n)을 정렬한다. 디렉터들(92c 및 98c)의 얇은 표면 층들로 인하여, ECB 디바이스들(84 및 86)의 각각에 연관된 작은 잔여 면상 위상차(ΓR)가 존재하지만, ECB 디바이스들(84 및 86)에 대한 ΓR의 지상 축들이 직각으로 정렬되어 있기 때문에, 그들은 여전히 보상된다.
도 9c는 디스플레이 구동 회로(102)의 각각의 스위치(104 및 104)의 스위치 위치들에 의해 개략적으로 표시되는 구동 신호 레벨(VH)이 ECB 디바이스들(84 및 86)로부터 제거되고 구동 신호 레벨(VL)로 대체된 후 짧은 시간의 디렉터 방위의 시간에 따른 스냅 샷을 도시한다. 제 1 ECB 디바이스(84)의 표면-비접촉 디렉터들(92n)의 중앙 디렉터에 도시된 작은 화살표들(110)은, 중앙 디렉터가 도 9a에 의해 표시된 평행한 상태로 역으로 회전하는 처리인 것을 나타낸다. 동일한 회전은 ⓧ 및 ⊙에 의해 각각 기호화된 도면의 평면 내부 및 외부로 향하는 화살표들(112)에 의해 표시된 것처럼 제 2 ECB 디바이스(86)에서 이루어진다. 표면-비접촉 디렉터들(92n)은 도면의 평면으로 회전시켜 제 1 ECB 디바이스(84)를 완화시키고, 표면 비접촉 디렉터들(98n)은 디렉터들(92n)에 수직인 축에 대해서 회전시켜 도면의 평면에 임으로써 제 2 ECB 디바이스(86)를 완화시킨다. 이 경우에 동적 보상이 이루어진다.
도 9d는, 제 1 ECB 디바이스(84)가 구동 신호 고전압 크기 레벨(VH)로 턴-온 되고, ECB 디바이스(86)가 VL로 유지되는 경우를 도시한다. ECB 디바이스들(84 및 86)의 결합은 더 이상 보상하지 않는데, 그 이유는 ECB 디바이스들(84 및 86)에 인가되는 구동 신호들이 서로 다르기 때문이다. 제 1 ECB 디바이스(84)는 ΓR의 잔여 면상 위상차를 도입하고, 제 2 ECB 디바이스(86)는 Γ0의 면상 위상차를 도입하며, 이에 의해, 잔여 및 면상 위상차들의 지상 축들이 서로 90° 각도로 되기 때문에 Γ0 - ΓR의 전체 위상차를 얻는다. 편광 변조기(80)에 대한 90° 의 편광 회전은 Γ0 - ΓR = λ/2로 얻어지며, 여기서, λ는 출력 편광 방향(110)에 의해 표시된 것처럼 광의 설계 파장이다.
포지티브 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정 혼합물로 구성되는 두 개의 ECB 디바이스들(84 및 86)을 이용하는 제 4 실시예는 실험적으로 실현되었다. ECB 디바이스들 각각은 인듐 주석 산화물 (ITO) 코팅된 글라스 기판들을 사용하여 구성되며, 액정 디렉터 정렬에는 마찰성 폴리이미드(rubbed polyimide)가 제공되어, 두 개의 기판들이 조립될 때, 상단 및 하단 기판들 상의 마찰 방향들은 서로 역평행(anti-parallel)이 된다. 표면 접촉 디렉터들의 선경사각은 약 4°이고, 2.5㎛의 셀 갭(d)은 실 물질의 스페이서를 사용하여 제공된다. ECB 액정 디바이스들은 독일, 다름슈타트, 머크 KGaA로부터 구입 가능한 네마틱 액정 혼합물 MLC-7030로 채워진다. MLC-7030 혼합물은 0.1102의 복굴절을 갖는다.
도 10a 및 도 10b는 제 1 및 제 2 ECB 디바이스들(84 및 86)에 인가되는 구동 신호 파형들을 도시한다. 이 경우에, 서브프레임 기간은 200 Hz의 주파수에 대응하는 5.0 ms가 된다. 이 경우에, 바이폴라의 구동 신호 펄스들이 선택되어, 이전에 설명한 것처럼 각각의 서브프레임 내에서 DC 밸런싱을 제공한다. 0.25ms-폭 +20 볼트 펄스에 이어서 0.25ms-폭 -20 볼트 펄스는 제 1 서브프레임의 시작에서 ECB 디바이스들(84 및 86) 둘 다에 인가되었다. 이들 펄스들 이후에, 두 ECB 디바이스들(84 및 86)은 5 ms 서브프레임의 나머지에 대해 0 볼트를 수신했다. 제 2 서브프레임의 시작에서, 제 1 ECB 디바이스(84)는 2.5 ms-폭 +20 볼트 펄스에 이어서 2.5 ms-폭 -20 볼트 펄스를 수신하였고, 제 2 ECB 디바이스(86)는 0 볼트로 유지되었다. 도 10c는 편광 변조기(80)가 입력 편광 방향 100으로 45° 각도가 되는 1 ECB 디바이스(84)의 정렬 방향을 갖는 직각으로 정렬된 편광판들 사이에 배치되었을 때 측정된 광학 응답을 도시한다. 측정들은 25° C에서 이루어 졌다. 턴-온 및 턴-오프 시간은 서브-밀리세컨드(sub-millisecond)가 되었고, 0.5ms 내지 5 ms의 기간 동안 이루어지는 동적 보상의 어떠한 광학 징후도 존재하지 않았으며, 이는 ECB 디바이스들(84 및 86)의 디렉터 필드들의 감쇠가 서로 매우 정밀하게 추적되었다는 것을 의미한다. 도 10d는 약 60㎲ 턴-온 시간 및 약 80㎲ 턴-오프 시간의 광학 셔터를 도시한 천이들 근처의 도 10c의 확대된 버전이다. 이 응답 시간은 480 Hz만큼 높은 스위칭 주파수에서 동작을 허용할 정도로 충분히 짧다.
제 5 바람직한 실시예는 두 개의 ECB 액정 디바이스들 대신에 두 개의 pi-셀들을 사용하는 편광 상태 변조기이다. ECB 디바이스와 마찬가지로, pi-셀은 전압으로 제어되는 면상 위상차를 갖는 액정 디바이스이다. pi-셀은, 조립된 기판 플레이트들의 폴리이미드 마찰 방향들이 역평행 방향 대신에 평행 방향으로 되는 것을 제외하고, 포지티브 ECB 액정 디바이스와 유사한 구조를 갖는다. 그러나, pi-셀 내부의 디렉터 필드는, 액정 층의 중간의 표면-비접촉 디렉터들이 고전압 및 저전압 구동 신호 상태들 모두에 대해 액정 디바이스 경계들에 수직이 되고 대부분의 스위칭이 액정 디바이스의 경계들 근처에서 이루어지는 포지티브 ECB 액정 디바이스와는 상당히 다르다.
도 11a 내지 도 11d는 두 개의 pi-셀들을 사용하는 편광 변조기(120)의 예를 도시한다. 도 11a는 입력 편광판(82)의 좌측에 광학 시리즈로 결합된 제 1 pi-셀(122) 및 제 2 pi-셀(124)이 뒤따르는 것을 도시한다. 도 9a 내지 도 9d의 ECB 디바이스들(84 및 86)은 표면 접촉 디렉터 평행 정렬을 나타내고, pi-셀들(122 및 124)은 표면 접촉 디렉터 역평행 정렬을 나타내며; 그렇지 않으면, 이들 액정 디바이스들은 유사하고, 이들 해당하는 구성 요소들은 동일한 참조 부호로 식별된다. Pi-셀들(122 및 124)은 pi-셀들(122및 124)의 광 전달 표면들{(예를 들어, 입구 표면(54) 및 출구 표면(56)}에 그들 광학축들의 투영들은 직각으로 관련되도록 배열된다. 두 개의 pi-셀들(122 및 124)은 이전에 설명한 것처럼 보상을 위한 조건들을 만족한다. 이미지 소스(22)로부터 전파되는 광은, 편광의 방향이 도면의 평면으로 +45° 각도가 되는 것을 나타내는 경사된 실린더에 의해 도시된 입력 편광 방향(100)으로 편광판(82)을 빠져나간다.
도 11a는 디스플레이 구동 회로(126)로부터 pi-셀들(122 및 124)에 인가되는 구동 신호의 저전압 크기 레벨(VL)을 도시한다. 구동 신호 레벨(VL)은 pi-셀의 내부 디렉터 필드 구조를 원치 않는 스플레이 상태 구조로 변환하는 것을 방지하는데 사용되는 바이어스 전압이라고 보통 지칭된다. 이러한 이유로 인해, 구동 신호 레벨(VL)은 일반적으로 제로가 아니다. 인가된 구동 신호 레벨(VL)에서, 제 1 pi-셀(122)의 표면-비접촉 디렉터들(130n)은 도면의 평면에 있고, 제 2 pi-셀(124)의 표면-비접촉 디렉터들(132n)은 기판 플레이트들(94) 및 도면의 평면에 수직인 평면에 있다. 인가된 구동 신호 레벨(VL)에서, pi-셀들(122 및 124) 모두는 그들 각각에 대해서 동일한 면상 위상차(Γ0)에 의해 특징지어 진다. 도 11a에 있어서, 두 개의 pi-셀들 (122 및 124)은 보상하고, 입사광의 편광의 상태는 그들의 결합을 통해 통과한 이후에 불변의 상태로 유지한다.
도 11b는 제 1 pi-셀(122) 및 제 2 pi-셀(124) 모두에 인가되는 동일한 구동 신호의 고전압 크기 레벨(VH)을 도시하며, 이에 의해, 기판 플레이트들(88 및 94) 각각에 보다 수직이 되도록 액정 디바이스 경계들 근처에 디렉터들(130n 및 132n)을 정렬한다. 디렉터들(130c 및 132c)의 얇은 표면층들로 인하여, pi-셀들(122 및 124)의 각각과 관련된 작은 잔여 면상 위상차(ΓR)가 존재하지만, pi-셀들(122 및 124)에 대한 ΓR의 지상축이 직각으로 정렬되기 때문에, 셀들은 여전이 보상된다.
도 11c는 구동 회로(126)에서 각각의 스위치 위치들(1341 및 1342)에 의해 개략적으로 표시되는, 구동 신호 레벨(VH)이 pi-셀들(122 및 124)로부터 제거되고 구동 신호 레벨(VL)로 대체된 이후의 짧은 시간의 디렉터 방위의 시간에 따른 스냅 샷을 도시한다. 제 1 pi-셀(122)의 표면-비접촉 디렉터들(130n)에 도시된 작은 화살표들(140)은 도 11a에 의해 표시된 구동 신호 레벨(VL) 상태로 역으로 회전하는 처리 상태를 나타낸다. 동일한 회전은 ⓧ 및 ⊙에 의해 각각 기호화된 도면의 평면 내부 및 외부로 향하는 화살표들(142)에 의해 표시된 것처럼 제 2 pi-셀(124)에서 이루어진다. 표면-비접촉 디렉터들(130n)은 도면의 평면으로 회전시켜 제 1 pi-셀(122)을 완화시키고, 표면 비접촉 디렉터들(132n)은 디렉터들(132n)에 수직인 축에 대해서 회전시켜, 도면의 평면에 놓임으로써, 제 2 pi-셀(124)을 완화한다. 이 경우에 동적 보상이 이루어진다.
도 11d는 제 1 pi-셀(122)이 구동 신호 고전압 크기 레벨(VH)로 턴-온 되고, 제 2 pi-셀(124)이 VL로 유지되는 경우를 도시한다. pi-셀들 (122및 124)의 결합은 더 이상 보상하지 않는데, 그 이유는 pi-셀들(122 및 124) 에 인가되는 구동 신호들이 서로 다르기 때문이다. 제 1 pi-셀(122)은 1ΓR의 잔여 면상 위상차를 도입하고, 제 2 pi-셀(124)은 Γ0의 면상 위상차를 도입하며, 이에 의해, 두 개의 면상 위상차들의 지상 축들이 서로 90° 각도로 되기 때문에, 1Γ0 - 1ΓR의 전체 위상차를 얻는다. 편광 변조기(120)에 대한 90° 의 편광 회전은 Γ0 - ΓR = λ/2로 얻어지며, 여기서, λ는 출력 편광 방향(110)에 의해 표시된 것처럼 광의 설계 파장이다.
pi-셀에 대한 전압 레벨(VL)은 스플레이 상태 출현으로 인하여 제로로 설정될 수 없고, 이는 pi-셀이 VL 보다 작은 전압 크기로 스위칭될 수 있는, 이상적으로는 심지어 제로가 되는 경우에 보다 빠르게 되는 VH에서 VL로의 구동 신호 레벨 천이를 느리게 한다. 그러나, 짧은 시간 동안에만 스위칭되는 경우에, VL 보다 적은 전압으로 스위칭함으로써 전이를 가속시킬 수 있다. 이는 언더드라이브 기술로서 공지되어 있다. 언더드라이브 전압은 VUD이고, 여기서, VUD < VL가 된다. 언더드라이브 기술은 보다 빠른 상승 및 하강 시간을 획득하기 위하여 도 6에 도시된 오버드라이브 기술과 결합될 수도 있다. 도 12는 VUD = 0에 의해 오버드라이브 및 언더드라이브의 결합을 도시한다, 도 12의 라인(a)은 제 1 pi-셀(122)에 인가되는 구동 신호 파형을 도시하고, 도 12b의 라인(b)은 제 2 pi-셀(124)에 인가되는 구동 신호 파형을 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 제 1 ECB 디바이스(84) 및 제 2 ECB 디바이스(86)를 갖는 편광 변조기(80')가, 도 9a 내지 도 9d에 도시된 것처럼, 패시브 안경(152)을 사용하여 입체 3D 뷰잉 시스템(150)에 이용되는 예를 도시한다. 본 예에 있어서, 입력 편광판(82')은 수직 입력 편광 방향(100')을 갖는 선형 편광판이고, 비활성화된 상태의 제 1 및 제 2 ECB 디바이스들(84 및 86)은 본질적으로 1/2파 광학 리타더들이 된다. 제 1 ECB 디바이스(84)는 수직축에 대해서 +45°로 배향된 지상 축(154)을 가지며, 제 2 ECB 디바이스(86)는 수직축에 대해서 -45°로 배향된 지상 축(156)을 갖는다. 출력 편광판들(60R 및 60L)은 시청자에 의해 착용된 패시브 안경(152)의 각각의 우 및 좌 접안 렌즈들에 있다. 본 예에 있어서, 우안(R)의 전면에 위치된 편광판(60R)은 수평 편광 방향(90°)을 갖는 선형 편광판이고, 좌안(L)의 전면에 위치된 편광판(60L)은 수직 편광 방향(0°)을 갖는 선형 편광판이다. 시스템(150)은, 이미지 소스(22)가 위에 배치된 편광 변조기(80')를 갖는 텔레비전 스크린인 직접 뷰잉 시스템의 입체 이미지들을 시청하기 위해 사용될 수 있다. 시스템(150)은, 패시브 안경(152)을 착용한 관찰자가 시청하는 스크린에 편광-변조된 이미지들을 투영하는 프로젝터-타입 이미지 소스(22)의 전면 또는 내측에 편광 변조기(80')가 배치된 입체 투영 시스템에서 이미지들을 시청하기 위해 사용될 수 있다.
도 13a 및 도 13b의 예의 기본 동작은 도 10a 내지 도 10c를 참조하여 아래에 설명된다. 도 13a를 참조하면, 제 1 서브프레임 동안, ECB 디바이스들(84 및 86)이 동일한 전압들을 수신할 때, 출력 편광 방향(110')은 입력 편광 방향(100')과 동일한 같은 0° (수직) 방향으로 편광된다. 연결된 편광판(60R)의 전송 축이 90°로 배향되기 때문에, 우 접안 렌즈에 입사된 이미지들은 차단되고, 연결된 편광판(60L)의 전송 축이 0°로 배향되기 때문에, 좌 접안 렌즈에 입사된 이미지들은 투과된다. 따라서, 제 1 서브프레임 동안, 이미지 소스(22)가 좌안 뷰를 보여 줄 때, 좌안에 투과되고(밝은 직사각형 158), 우안으로부터는 차단된다(어두운 직사각형 160).
도 13b를 참조하면, 제 2 서브프레임 동안, VH는 제 1 ECB 디바이스(84)에 인가되고, VL은 제 2 ECB 디바이스(86)에 인가되어, 설계 파장에서 순 1/2 파 위상차를 나타낸다. 설계 파장에서, 인가된 전압들의 결합은 0° 입력 편광(100')을 90° 만큼 회전시키는 효과가 있어, 출력 편광 방향(110')은 90°(수평)가 된다. 지금 이미지는 연결된 90° 편광판(60R)에 의해 우안에 투과되고(밝은 직사각형 160), 0°로 배향된 연결된 편광판(60L)에 의해 좌안으로는 차단된다(어두운 직사각형 158). 따라서, 제 2 서브프레임 동안, 이미지 소스(22)가 우안 뷰를 나타낼 때, 우안으로는 투과되고, 좌안으로부터는 차단된다.
그러나, 제 2 서브프레임 동안, 제 1 및 제 2 ECB 디바이스들(84 및 86)의 결합은 눈이 가장 인접한 통상 550 nm인 설계 파장에서만 1/2 파 리타더의 특성을 나타낸다. 설계 파장 이외의 파장에서, 출력 편광 상태(110')는 더 이상 선형 입력 편광 상태(100')가 90°만큼 회전되지 않지만, 타원형 편광 상태에 있다. 이러한 비-이상적인 동작은 비설계 파장들에서 클리어, 전송 상태로 시스템(150)을 통해 감소된 광전송을 발생시키고, 더 중요한 것은 비설계 파장들에서 광 차단 상태로 시스템(150)을 통해 광 누설을 발생시킨다. 이러한 광 누설은 3D 이미지의 시청자에 의해 관찰 가능한 부적절한 고스팅을 일으킨다. 클리어 및 광 차단 상태들의 이러한 비이상성(nonideality)은 제 1 서브프레임 동안 발생하지 않는데, 그 이유는 ECB 디바이스들(84 및 86)은 모든 파장들을 보상하여 결과적으로 모든 파장들에 대해 수직 방향으로 선형 출력 편광을 나타내기 때문이다. 이 경우에 있어서, 광 차단 상태에서 광 누설은 사용된 편광판들의 품질로만 기본적으로 결정되기 때문에 매우 낮게 될 수 있다.
도 14는 도 13a 및 도 13b에 도시된 시스템(150)의 제 1 및 제 2 서브프레임들 동안 생성되는 클리어 및 광 차단 상태들의 시뮬레이트된 광학 전송 스펙트럼을 도시한다. 간략화를 위해, 비편극광의 50% 전송하도록 한정되는 이상적인 편광판들이 시뮬레이션을 위해 사용되었다. 이용된 액정 물질은 독일, 다름슈타트, 머크 회사로부터 구입 가능한 MLC-7030이다. 제 1 서브프레임 동안, 우안 광전송 곡선(162)은 0% 전송을 나타내고, 좌안 광전송 곡선(164)은 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 50% 전송을 나타낸다. 그러나, 제 2 서브프레임 동안, 우안 광전송 곡선(166)은 50% 전송을 나타내고, 좌안 광전송 곡선(168)은 이 경우 550 nm 인 설계 파장에서 0% 투과만 나타낸다. 광전송 곡선들(166 및 168)은, 다른 파장들에서, 클리어 전송 상태로 광전송이 감소되고, 광 차단 상태의 광전송이 증가되는 것을 도시한다.
시스템(150)의 단점은 설계 파장 이외의 파장들에서 광차단 상태로 좌안의 광 누설 량이다. 이는 우안 이미지가 부적절한 고스트 이미지들로서 좌안을 통해 누설하고 보이는 것을 의미한다. 시뮬레이트된 콘트라스트 비율은 좌안에 대해 단지 38.1이다. 시스템(150)의 다른 단점은, 변조기(80')의 출력 편광 방향(110)이 패시브 안경(152)의 편광판들 중 하나의 편광축과 더 이상 직각으로 정렬되지 않기 때문에, 시청자의 머리가 측면으로 경사질 때마다 부가적인 고스팅 효과가 발생한다는 것이며, 이에 의해, 좌안 및 우안 각각에 대한 광차단 상태에서 원치 않은 편광의 성분이 누설한다.
상술한 예는 수직축에 대해서 배향된 지상 축에 의해 외부 1/4 파형 필름을, 단락 [0074]에 설명한 것처럼, 출력 편광 방향에 대해 +45°로 도입시킴으로써, 적어도 설계 파장에서 시청자의 머리의 경사각에 대해 영향을 받지 않을 수 있다. 1/4 파형 필름은, 편광 변조기가 직교 선형으로 편광된 상태 대신에 우수 및 좌수 원형 편극광 사이를 스위칭할 수 있게 한다. 1/4-파형 필름들은 우수 및 좌수 원 편광들을 디코드하기 위해 패시브 안경의 광 입력 측에 도입될 수도 있다. 우안에 있어서, 1/4 파형 필름은 수직축에 대해 지상축이 -45° 배향되고, 좌안에 있어서, 1/4 파형 필름은 수직축에 대해 지상축이 +45° 배향된다. 1/4 파형 필름에 이어서, 좌안 및 우안에 대해서 편광 방향이 90° 배향된 선형 편광판이 뒤따른다. 시스템(150)의 변경된 버전인 입체 3D 뷰잉 시스템(150')에서 구현되는 방식을 사용하는 예는 도 15a 및 도 15b에 도시되어 있다.
도 15a 및 도 15b의 예의 기본 동작은 아래에 설명되어 있다. 도 15a를 참조하면, 제 1 서브프레임 동안, ECB 디바이스들(84 및 86)은 동일한 전압들을 수신하고, 출력 편광 방향(110')이 입력 편광 방향(100')과 동일한 0° 방향(수직)으로 편광된 결과로 보상한다. 수직축에 관하여 지상 축(182)이 +45° 배향된 외부 1/4 파형 필름(180)은 패시브 안경(152')의 우 접안 렌즈에서 수직축에 대해 지상 축(186)이 -45° 배향된 1/4 파형 필름(184)을 보상하여, 광은 0°에서 선형으로 편광된 상태를 유지한다. 편광 방향은 접안 렌즈 편광판(60R)의 90° 전송 축에 대해 직각이기 때문에, 패시브 안경(152')의 우 접안 렌즈에 입사된 이미지는 우안으로부터 차단된다. 패시브 안경(152')의 좌 접안 렌즈에 있어서, 1/4 파형 필름(188)은 지상 축(190)이 +45° 배향되어, 1/4 파형 필름들(180 및 188)이 1/2파 광학 리타더에 부가하는 결과로, ECB 디바이스(86)의 출력 표면에서의 외부 1/4 파형 필름(180)의 지상 축(182)의 방향과 동일한 방향이 된다. 1/2파 위상차 조합은 선형 입력 편광 방향을 90°만큼 회전시켜, 우 접안 렌즈 편광판(60L')의 전송 방향에 평행하게 되게 하고, 클리어 전송 상태의 결과를 얻는다.
도 15b를 참조하면, 제 2 서브프레임 동안, VH는 ECB 디바이스(84)에 인가되고, VL은 ECB 디바이스(86)에 인가된다. 따라서, ECB 디바이스들(84 및 86)의 결합은 수직축에 관하여 -45°로 배향된 지상 축을 갖는 1/2파 플레이트(HWP)와 같이 동작한다. 패시브 안경(152')의 우 접안 렌즈에 있어서, 1/4 파형 필름들(180 및 184)은 보상하고, 우 접안 렌즈 편광판(60R)의 전송 방향에 평행하게 되는 선형 입력 편광 방향(100')을 90°만큼 회전시키는 전체 광학 경로에서 1/2 파의 전체 위상차를 얻고, 클리어 전송 상태를 얻는다. 패시브 안경(152')의 좌 접안 렌즈에 있어서, 1/4 파형 필름(188)과 외부 1/4 파형 필름(180)의 결합은 수직축에 관하여 +45° 배향된 지상 축을 갖는 1/2파 리타더와 동일하다. 이 결합은, 광 배출 1/4 파형 필름(188)이 0°에서 선형으로 편광된 결과로, ECB 디바이스(84 및 86) 조합의 1/2파 위상차를 보상하여, 좌 접안 렌즈 편광판(60L')의 전송 방향에 대해 직각으로 하고, 좌안에 대해 차단된 상태를 얻는다.
도 15a 및 도 15b의 보다 상세한 연구는 좌안에 대해 광 차단 상태로 광 누설에 대한 가능성이 있다는 것을 알 수 있었다. 제 1 서브프레임 동안, ECB 디바이스들(84 및 86)은 동일한 액정 혼합물을 이용하고, 동일한 셀 갭을 가지며, 그래서, 이미지-전달 광의 모든 파장들을 보상한다. 유사하게, 패시브 안경(152')의 외부 1/4 파형 필름(180) 및 1/4 파형 필름들(184 및 188)이 동일한 물질로 구성된다면, 이들 필름들은, 모든 파장에 대해 우접안 렌즈에서 보상할 것이다. 그 결과, 우 접안 렌즈에 입사된 이미지-전달 광이 모든 파장들에 대해 우안으로부터 완전히 차단된다.
그러나, 제 2 서브프레임 동안, ECB 디바이스들(84 및 86)은 수직축에 대해 -45°에서 HWP에 합하고, 좌 접안 렌즈의 외부 1/4 파형 필름(180) 및 1/4 파형 필름(188)은 수직축에 대해 +45°에서 HWP에 합한다. 이들 두 개의 HWP 조합들은 다음 두 가지의 추가적인 조건들 하에 좌안에 대한 광 누설 없이 광 차단 상태를 성취하기 위해 보상한다. (1) ECB 디바이스들(84 및 86)의 조합이 1/2파 리타더인 설계 파장은 시스템(150')의 1/4 파형 필름들(180, 184, 및 188)의 설계 파장과 동일하고; (2) ECB 디바이스들(84 및 86)에 이용된 액정 물질의 복굴절의 파장 분산은 시스템(150')의 1/4-파형 필름들(180, 184, 및 188)의 복굴절의 파장 분산과 실질적으로 동일하다.
상업적으로 이용 가능한 1/4 파형 필름들의 명목상의 위상차는 560nm 설계 파장에 대응하는 140nm이다. 위상차의 다른 값들이 이용 가능하지 않기 때문에, 조건(1)은 액정 혼합물을 선택하고, ECB 디바이스들(84 및 86)의 셀 갭들을 선택하며, ECB 디바이스들(84 및 86)에 인가되는 전압들(VH 및 VL)을 미세 조정함으로서 만족하게 될 수 있어, 560nm에서 1/2파 광학 위상차 조건을 만족한다.
상업적으로 이용 가능한 1/4 파형 필름 타입들의 제한된 수가 있기 때문에, 조건(2)을 만족하기 위한 대부분의 실제 접근법은 파장 분산이 이용 가능한 1/4 파형 필름들 중 하나에 일치하는 액정 혼합물을 선택하는 것이다.
파장 분산의 측정은 650 nm에서 복굴절에 대한 450 nm에서 물질의 복굴절의 비율(D)로서 선택되는데, 예를 들어, D = Δn450/Δn650. 일본, 도쿄, 니토-덴코 회사는 광대역, 수색성 타입 1/4 파형 필름들, 및 유색 타입 1/4 파형 필름들을 제공한다. 니토-덴코의 광대역, 수색성 필름 타입들은 D = 1.00을 갖고, 두 개의 이상의 복굴절 필름들의 계층화된 구조로 된다. 니토-덴코 회사는 D = 1.02를 갖는 폴리비닐 알코올로부터 구성되는 NAF 타입과, D = 1.14를 갖는 폴리카보네이트로부터 구성되는 NRF 타입인 두 개의 상이한 타입들의 유색 1/4 파형 필름들을 공급한다. D가 1.00을 갖거나 심지어 D가 1.02를 갖는 액정 혼합물이 공지되어 있지 않기 때문에, 조건(2)을 만족하는 것은 원하는 물질 특성들, 예를 들어, ECB 디바이스에 대한 복굴절 및 점도(viscosity)를 갖고, 폴리카보네이트 타입 1/4 파형 필름들의 분산 값에 일치하는 분산 값을 갖는 액정 혼합물을 선택하는 것을 수반한다. 머크 액정 MLC-7030은 ECB 디바이스 요구 사항을 충족하고, D=1.14를 갖는 폴리카보네이트의 분산과 실질적으로 동일한 분산 D = 1.15를 갖는다.
시뮬레이션들은 MLC-7030이 ECB 디바이스들(84 및 86)에 이용되고, 3개 이용 가능한 1/4 파형 필름 타입들 각각이 시스템(150')의 나머지에 대해 고려되는 경우에 시스템(150')에서 얻어지는 누설의 정량화를 위해 수행되었다. 도 16d는 좌안에 대해 광 차단 상태의 시뮬레이트된 전송 스펙트럼을 도시하는데, 곡선(200)은 다층 수색성 1/4 파형 필름을 나타내며, 곡선(202)은 유색 폴리비닐 알코올 1/4 파형 필름을 나타내며, 곡선(204)은 유색 폴리카보네이트 1/4 파형 필름을 나타낸다. 곡선들(200, 202, 및 204)로부터, 수색성 1/4 파형 필름의 이용이 대부분의 광 누설의 결과를 얻고, 다음으로 폴리비닐 알코올 1/4 파형 필름의 이용이 밀접한 결과를 얻는 다는 것이 명백하다. 폴리카보네이트 1/4 파형 필름을 갖는 광 누설의 극적인 감소는 폴리카보네이트와 액정 사이의 파장 분산의 정확한 매칭의 결과이고, 고스팅 효과들로부터 실질적으로 자유로운 은 콘트라스트 입체 이미지의 결과이다.
도 17은, MLC-7030이 ECB 디바이스들(84 및 86)에 사용되고, 1/4 파형 필름들(180, 184, 및 188)이 폴리카보네이트로 구성되는 최적의 경우에 입체 시스템(50')의 광학 전송의 시뮬레이션들의 결과들을 도시한다. 우안 및 좌안 광 전송 상태들{곡선들(206 및 208)}의 스펙트럼은 사실상 우안 및 좌안 광 차단 상태들{곡선들(210 및 212)}과 동일하다. 좌안 및 우안 각각에 대한 대칭적인 동작 및 강한 광 차단 상태들은 고스팅 효과들 및 컬러 시프트들을 피하기 위하여 입체 뷰잉 방식에서 갖게 되는 매우 바람직한 특성들이 된다. 선형으로 편광된 시스템(150)의 도 14와 최적화된 원형으로 편광된 시스템(150')의 도 17 사이의 비교는 극적이다. 선형으로 편광된 시스템(150)에 있어서, 좌안 및 우안 중 하나에 대한 차단 상태의 광 누설은 상당한 고스팅 효과들을 도입하고, 및 우 및 좌안들에 대한 클리어 전송 상태들의 스펙트럼 차이들은 교정을 어렵게 하게 좌안 및 우안의 컬러 시프트들에 대한 이미지들에 도입한다.
도 18은, 액정 혼합물의 분산이 1/4 파형 필름들의 분산과 크게 매칭되는 최적의 경우에, 이 경우, MLC-7030 액정 및 폴리카보네이트 1/4 파형 필름들이 되는 상업적으로 이용 가능한 편광판들을 이용하는 입체 시스템(150')의 광학 전송의 실제 측정들을 도시한다. 광 누설은 우안 (곡선 206) 및 좌안(곡선 208)에 대한 대부분의 가시 스펙트럼을 통해 사실상 제로가 되고; 우안(곡선 210) 및 좌안(곡선 212)에 대한 클리어 전송 상태들은 본질적으로 동일하며, 도 17의 시뮬레이션들을 확인한다. 곡선들(206 및 208)에서 명백한 진동들은 ECB 디바이스들(84 및 86)에서 간섭 효과에 의해 생성되며, 이들 효과들은 도 17에 도시된 결과들을 생성하는 시뮬레이션들에서 고려되지 않았다.
도 19는 보호 트리아세테이트 셀룰로즈(protective triacetate cellulose)(TAC) 캐리어 층들(220, 222, 및 224)을 포함하는 패시브 안경(152")을 사용하여 입체 3D 뷰잉 시스템(150")를 도시한다. TAC 층들(220, 222, 및 224)은 입체 뷰잉 시스템들(150 및 150')에도 포함되지만, 명료함을 위해, 그들의 설명이 뷰잉 각도 고려에 관련이 없기 때문에, 도 13a, 도 13b, 도 15a 및 도 15b에 도시되지 않았다. TAC 층들(220 및 222)은 접안 렌즈들에서 편광판들(60R 및 60L') 각각의 내부 측면들에 위치되고; TAC 층(22)은 편광 변조기(80")에서 편광판(82')의 내부 측면에 위치된다. 편광판들(60R, 60L', 및 82')의 외부 측면들에 제공된 TAC 층들은 각도 뷰잉 특성들에 영향을 미치지 않으며, 따라서, 도 19에 도시되지 않았다. TAC 층들은 약 -40 nm의 면외 위상차를 갖는 네거티브 단축 복굴절 필름들과 이 필름들에 수직인 광학 축들에 의해 비슷하게 될 수 있다. 그들이 복굴절이기 때문에, ECB 디바이스들(84 및 86), 1/4 파형 필름들(180, 184, 및 188), 및 TAC 층들(220, 222, 및 224)은 오프-축 뷰잉에 영향을 준다. 도 19는 편광 변조기(80")와 패시브 안경(152") 사이에 위치된 선택적인 포지티브 C 필름 보상기(226)를 또한 포함하는 시스템(150")을 도시한다. 포지티브 C 필름은 지상축이 필름에 수직인 포지티브 단축 복굴절 필름이다.
컴퓨터 시뮬레이션들은 우 및 좌안들에 대한 오프-축 콘트라스트 비율들이 도 19에 도시된 위치에 포지티브 C 필름 보상기(226)를 배치하고, 면외 위상차를 280nm로 최적화하여 크게 개선될 수 있는 것을 도시한다. 애플리케이션에 따라, 포지티브 C 필름 보상기(226)는 변조기(80")의 외부 1/4 파형 필름(180)의 외측 또는 패시브 안경(152)"의 1/4 파형 필름들(184 및 188)의 외측 부분들에 적층될 수 있다.
도 20a 내지 도 20d는 시스템(150")에 대해 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 뷰잉 각도 다이어그램들을 도시하며, 도 20a 및 도 20b는 선택적인 포지티브 C 필름 보상기(226)의 사용 없이 좌안 및 우안 각각에 대한 시스템 특성 뷰잉 각도 성능을 제공하고, 도 20c 및 도 20d는 선택적인 포지티브 C 필름 보상기(226)를 사용하여 좌안 및 우안 각각에 대한 보다 상당히 넓은 시스템 특성 뷰잉 각도 성능을 제공한다. 이들 다이어그램들은 0°에서 60°까지 연장되는 양극의 각도 및 방위각들 0°에서 360°까지의 방위각들에서 관찰된 콘트라스트 비율의 윤곽 선도들이다. 이들 이소-콘트라스트 비율 다이어그램들은 오프-축 뷰잉에 제공되는 고스팅의 량의 유용한 측정을 제공한다. 20 및 100의 콘트라스트 비율 윤곽들은 다이어그램들에 표시된다. 도 20a 및 도 20b는, 포지티브 C 필름 보상기(226)를 사용하지 않고, 우안에 대한 높은 콘트라스트 뷰잉 각도의 시스템 특성 범위는 좌안의 특성 범위에 비해 크게 좁게 되는 것을 도시한다. 도 20c 및 도 20d는 +280 nm 포지티브 C 필름 보상기(226)를 부가하는 것이 높은 콘트라스트가 우안에 의해 관찰될 수 있는 뷰잉 각도의 시스템 특성 범위 이상 현저하게 넓게 될 수 있고, 이에 의해, 높은 콘트라스트 뷰잉 방향들의 범위를 우 및 좌안들에 대해 대략 비슷하게 할 수 있는 것을 도시한다.
포지티브 C 필름 보상기(226)는, ECB 디바이스(86)와 외부 1/4 파형 필름(180) 사이, 입력 편광판 TAC 층(224)과 제 1 ECB 디바이스(84) 사이, 또는 1/4 파형 필름들(184 및 188)과 연결된 편광판 TAC 층들(220 및 222) 사이와 같은, 도 19에 도시된 위치 이외의 광학 경로의 위치들에 삽입될 수 있다. 시뮬레이션들은 이들 대안의 위치들에 포지티브 C 필름 보상기(226)의 배치가 도 19에 도시된 포지티브 C 필름 보상기(226)를 배치하여 달성될 수 있는 것만큼 뷰잉 각도를 넓히지 않는 것을 도시한다.
도 19의 패시브 안경 예에 있어서, 포지티브 C 필름 보상기(226)는 편광 변조기(80")에 배치된다. 포지티브 C 보상기(226)는 도 21에서 하나의 접안(230)에 대해 도시된 것과 같은 액티브 안경에 이용될 수도 있다. 액티브 안경의 경우에서, 우 및 좌 접안 렌즈들은 동일한 구조들을 가지며, 차이는 액티브 안경이 도 7에 도시되고 단락[0077]에서 TN 디바이스들과 함께 설명된 위상차로 구동된다는 점이다.
도 22a 및 도 22b 의 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 다이어그램들은, 도 21에 도시된 것처럼, 400 nm 포지티브 C 필름(226)을 광학 경로에 병합하여 최소 고스팅 효과를 갖는 높은 콘트라스트 뷰잉 각도의 범위가 극적으로 넓게 될 수 있는 것을 입증한다. 이 경우에, 도 22b에 도시된 것처럼, 콘트라스트 비율은 25° 양극의 각도를 벗어나 적어도 100:1이 되고, 35° 양극의 각도를 벗어나 적어도 20:1이 된다. 시뮬레이션들은 350 nm - 400 nm 범위 내에서 면외 위상차들을 갖는 포지티브 C 필름들이 양호한 결과들을 제공하며, 400nm가 본 예에서 최적이 되는 것을 도시한다.
도 19 및 도 21에 도시된 상술한 실시예들은 포지티브 유전율 이방성을 갖는 ECB 디바이스들을 사용한다. 다음은 사용된 액정 디바이스들이 수직으로 정렬된 네마틱 (VAN) 디바이스들에 네거티브 유전율 이방성을 갖는 액정 물질을 사용하는 실시예들을 설명한다.
도 23a 내지 도 23d는 두 개의 VAN 모드 액정 디바이스들을 사용하여 편광 변조기(240)의 예를 도시한다. 도 23a는 광학 시리즈로 결합된 제 1 VAN 액정 디바이스(244) 및 제 2 VAN 액정 디바이스(246)가 뒤따르는 왼쪽에서 입력 편광판(82)을 도시한다. 제 1 VAN 디바이스(244)는 광학적으로 투명한 전극 층들(250)이 형성되는 내부 표면들을 갖는 글라스 기판 플레이트들(248) 사이에 포함된 액정 물질로 구성된다. 액정 물질은 전극 표면 접촉 디렉터들(252c) 및 전극 표면-비접촉 디렉터들(252n)을 포함한다. 제 2 VAN 디바이스(246)는 광학적으로 투명한 전극 층들(256)이 형성되는 내부 표면들을 갖는 글라스 기판 플레이트들(254) 사이에 포함된 액정 물질로 구성된다. 액정 물질은 전극 표면 접촉 디렉터들(258c) 및 전극 표면-비접촉 디렉터들(258n)을 포함한다. 두 개의 VAN 액정 디바이스들(244 및 246)은 이전에 설명된 것과 같은 보상을 위한 조건들에 만족한다. 이미지 소스(22)로부터 전파되는 광은, 편광의 방향이 도면의 평면과 +45° 각도가 되는 것을 나타내는 경사진 실린더에 의해 도시되는 입력 편광 방향(100)으로 편광판(82)을 빠져나간다.
도 23a는 디스플레이 구동 회로(262)로부터 VAN 디바이스들(244 및 246) 모두에 인가되는 구동 신호 저전압 크기 레벨(VL)을 도시한다. 구동 신호 레벨(VL)은 VAN 임계 전압 아래에 있거나 심지어 제로가 된다. 이러한 전압에서, 제 1 VAN 디바이스(244)의 디렉터들(252c 및 252n)은 기판 플레이트들(248)에 수직이 되고, 제 2 VAN 디바이스(246)의 디렉터들(258c 및 258n)은 기판 플레이트들(254)에 수직이 된다. 이는 제 1 VAN 디바이스(244)의 측면에서 본 로컬 디렉터들을 나타내는 실린더들(252c 및 252n)과, 제 2 VAN 디바이스(246)의 측면에서 본 실린더들(258c 및 258n)에 의해 도시된다. 각각의 기판 플레이트들(248 및 254)의 법선 방향에 관하여 표면 접촉 디렉터들(252c 및 258c)의 작은 선경사각들은 도시되지 않았다. 각각의 VAN 디바이스(244 및 246) 내에서, 로컬 디렉터들은 서로 평행하게 된다. 인가된 구동 신호 레벨(VL)에서, VAN 디바이스들(244 및 246) 모두는 그들 각각에 대해서는 동일한 잔여 면상 위상차(ΓR)에 의해 특징지어 지지만, VAN 디바이스들(244 및 246)에 대한 ΓR의 지상축이 직각으로 정렬되므로, 그들은 여전히 보상하고, 입사광의 편광의 상태는 그들의 결합을 통해 통과한 이후에 불변의 상태로 유지된다.
도 23b는 제 1 VAN 디바이스(244) 및 제 2 VAN 디바이스(246) 모두에 인가되는 동일한 구동 신호 고전압 크기 레벨(VH)을 도시하며, 이에 의해, 전극 층들(250 및 256) 각각에 의해 한정되는 액정 디바이스 경계들에 거의 평행하게 디렉터들(252n 및 258n)을 정렬한다.
도 23c는 디스플레이 구동 회로(262)에서 각각의 스위치(2641 및 2642)의 스위치 위치들에 의해 개략적으로 표시되는 구동 신호들(VH)이 TN 디바이스들(244 및 246)로부터 제거되고 구동 신호 레벨(VL)로 대체된 이후의 짧은 시간의 디렉터 방위의 시간에 따른 스냅 샷을 도시한다. 제 1 VAN 디바이스(244)에서 표면-비접촉 디렉터들(252n)의 중앙 디렉터에 도시된 작은 화살표들(270)은, 중앙 디렉터가 도 23a에 의해 표시된 수직으로 정렬된 상태로 역으로 회전하는 과정에 있는 것을 나타낸다. 동일한 회전은 ⓧ 및 ⊙에 의해 각각 기호화된 도면의 평면 내부 및 외부로 향하는 화살표들(227)에 의해 표시된 것처럼 제 2 VAN 디바이스(246)에서 이루어진다. 표면-비접촉 디렉터들(252n)은 도면의 평면으로 회전시켜 제 1 VAN 디바이스(244)를 완화시키고, 표면 비접촉 디렉터들(258n)은 도면에 수직이면서 기판 플레이트들에 수직인 평면에서 회전시켜 제 2 VAN 디바이스(246)를 완화시킨다. 이 경우에 동적 보상이 이루어진다.
도 23d는 제 1 VAN 디바이스(244)가 VL로 유지되고, 제 2 VAN 디바이스(246)가 구동 신호 고전압 크기 레벨(VH)로 턴-온 되는 경우를 도시한다. VAN 디바이스들(244 및 246)의 결합은 더 이상 보상하지 않는데, 그 이유는 VAN 디바이스들(244 및 246)에 인가되는 구동 신호들이 서로 다르기 때문이다. 제 1 VAN 디바이스(244)는 ΓR의 잔여 면상 위상차를 도입하고, 제 2 VAN 디바이스(246)는 Γo의 면상 위상차를 도입하며, 이에 의해, 잔여 및 면상 위상차들의 지상 축들이 서로 90° 각도로 되기 때문에, Γ0 - ΓR의 전체 위상차를 얻는다. 편광 변조기(240)에 대한 90° 의 편광 회전은 Γ0 - ΓR = λ/2로 얻어지며, 여기서, λ는 출력 편광 방향(110)에 의해 표시된 것처럼 광의 설계 파장이다.
VAN 디바이스들을 사용하여 액티브 안경에 대한 뷰잉 각도 보상은 도 24a 및 도 24b를 참조하여 설명하며, 도 24a에 도시된 변조기 성분 스택(230')은 보상을 포함하지 않으며, 도 24b에 도시된 변조기 성분 스택(230")은 두 개의 상업의 니토-덴코 55-275 이축성 리타더 필름들(274 및 276)을 포함한다. 상부 리타더(274)는 지상축이 인접한 편광판(60)의 전송 축에 평행하게 되고, 및 하부 리타더(276)는 지상축이 인접한 편광판(82)의 전송 축에 평행하게 되어 있다. 전송 편광판들(60 및 82)의 전송 축들은 직각으로 정렬된다. VAN 디바이스들의 액정 물질은 독일, 다름슈타트, 머크 회사로부터 구입 가능한 네거티브 유전율 이방성 물질 MLC-7026-100이다. 물론, 다른 리타더들 및 액정 혼합물을 이용하는 다른 실시예들이 공개된 보상을 실행하는데 적합할 수 있다.
도 25a 및 도 25b의 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 다이어그램들은 도 24b에 도시된 두 개의 니토 55-275 보상기 필름들(274 및 276)을 부가하여 높은 콘트라스트 뷰잉 각도의 범위가 현저히 개선될 수 있다는 것을 입증한다. 도 25a는, 보상 없이, VAN 콘트라스트 비율이 19° 양극의 각도를 벗어나 적어도 100:1이 되고, 30° 양극의 각도를 벗어나 적어도 20:1이 되는 것을 도시한다. 이는 도 22의 보상되지 않은 ECB 경우와 비교될 수 있다. 그러나, 도 25b는 보상과 함께, VAN 콘트라스트 비율이 30°를 벗어나 적어도 100:1이 되고, 45°를 벗어나 20:1이 되는 것을 도시한다. 이는 콘트라스트 비율이 25°를 벗어나 적어도 100:1이 되고, 35°를 벗어나 단지 20:1이 되는 도 22의 보상된 ECB 경우에 비해 매우 넓다.
VAN 디바이스들은, 도 26에 도시된 것처럼, 패시브 안경을 갖는 입체 뷰잉에 사용될 수도 있다. 좌안 및 우안에 대해 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 다이어그램들은 도 27a 및 도 27b에 도시되어 있다. 도 20a 및 도 20b와 도 27a 및 도 27b의 비교는, 필름 보상의 부재에서, 높은 콘트라스트 뷰잉에 대한 각도 범위가, VAN 디바이스들을 사용하는 편광 변조기들에 대해, ECB 디바이스들에 대한 각도 범위보다 더 넓다는 것을 도시한다.
도 20a 내지 도 20d는 ECB 디바이스들에 대해 도시하고, 도 27a 및 도 27b는 패시브 안경이 공개된 편광 변조기와 사용될 때, 우 및 좌안들의 각도 뷰잉 특성이 매우 다르다는 것을 VAN 디바이스들에 대해 도시한다. 좌안 및 우안 각각에 대한 높은 콘트라스트 뷰잉 각도의 최적의 범위를 성취하기 위하여, 접안 렌즈들이 별도로 보상된다.
도 28은, 한 예로서, 도 23a 내지 도 23d에서 설명된 것과 같은 VAN 디바이스들과 패시브 안경(152"')을 사용하는 입체 뷰잉 시스템을 도시하며, 여기서, 서로 다른 보상 필름들이 우 및 좌안을 위한 접안 렌즈들에 사용된다. 우 접안 렌즈에 있어서, 62 nm 면내 위상차 및 309 nm 면외 위상차를 갖는 이축성 보상기(280)는 TAC 층(220)과 1/4 파형 필름(184) 사이에 위치된다. 이축성 보상기(280)의 지상 축은 인접한 편광판(60R)의 전송 축에 평행하게 90°로 배향된다. 좌 접안 렌즈에 있어서, 뷰잉 각도 보상은, 좌 접안 렌즈에서 1/4 파형 필름(188)의 전면에 위치된 150 nm 포지티브 C 필름(282)과, TAC 층(222)과 1/4 파형 필름(188) 사이에 위치된 100 nm 포지티브 필름(284)의 결합에 의해 성취되며, 포지티브 필름(284)의 지상 축은 인접한 편광판(60L')의 전송 축에 평행하게 배향된다. 포지티브 필름은 지상축이 필름의 평면에 있는 포지티브 단축 복굴절 필름이다.
도 29a 및 도 29b는 도 28에 도시된 별도로 보상된 접안 렌즈 구성들로부터 얻어지는 좌안 및 우안에 대한 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 다이어그램들을 도시한다. 도 27a 및 도 27b에 의해 표현된 보상되지 않은 입체 뷰잉 시스템의 범위에 비해서 높은-콘트라스트 뷰잉 각도의 매우 넓은 범위가 달성된다.
도 30은 도 9a 내지 도 9d에 도시된 ECB 디바이스들과 패시브 안경(152"")을 이용하는 타입의 입체 뷰잉 시스템을 한 예로서 도시하며, 여기서, 서로 다른 보상 필름들은 우 및 좌안들에 대한 접안 렌즈들에 이용된다. 우 접안 렌즈에 있어서, 300 nm 포지티브 C 필름(286)은 1/4 파형 필름(184)의 전면에 위치되고, 350 nm 포지티브 필름(288)은 편광판 TAC 층(220)과 1/4 파형 필름(184) 사이에 위치되며, 포지티브 필름(288)의 지상 축은 인접한 편광판(60R)의 전송 축에 평행하게 배향된다. 좌 접안 렌즈에 있어서, 뷰잉 각도 보상은, 좌 접안 렌즈에서 1/4 파형 필름(188)의 전면에 위치된 150 nm 포지티브 C 필름(282)과, 편광판 TAC 층(222)과 1/4 파형 필름(188) 사이에 위치된 100 nm 포지티브 필름(284)의 결합으로 성취되며. 포지티브 필름(284)의 지상 축은 인접한 편광판(60L')의 전송 축에 평행하게 배향된다.
도 31a 및 도 31b는 도 30에 도시된 별도로 보상된 접안 렌즈 구성들로부터 얻어지는 좌안 및 우안에 대한 시뮬레이트된 이소-콘트라스트 다이어그램들을 도시한다. 도 20a 및 도 20b에 의해 표현된 보상되지 않은 입체 시스템, 또는 심지어는 좌안 및 우안이 동일한 각도 보상기를 수용하는 도 20c 및 도 20d에 의해 표현되는 보상된 시스템의 범위에 비해서 높은-콘트라스트 뷰잉 각도의 매우 넓은 범위가 달성된다.
공개된 편광 상태 변조기의 많은 응용들에 있어서, 온도는 일정하게 유지되지 않을 수 있고, 예를 들어, 워밍업 기간 동안 프로젝터 내측에 포함된 변조기의 경우가 될 수 있는 넓은 범위 이상 변화할 수 있다. 액정들의 물질 특성들이 특히, 복굴절에 대해 온도에 의존하는 것으로 알려져 있기 때문에, 온도의 모든 변화는 결합된 제 1 및 제 2 액정 디바이스들의 1/2파 광학 위상차 상태에 대한 파장을 설계 파장으로부터 벗어나게 시프트 한다. 이러한 시프트는 액티브 또는 패시브 안경을 사용하는 입체 뷰잉 시스템들의 휘도의 손실 및 휘도 상태의 시프트를 생성한다. 더욱이, 패시브 안경을 사용하는 이러한 시스템들은 온도에 상대적으로 민감하지 않은 1/4 파형 필름들의 설계 파장으로부터 벗어난 1/2파 상태에서 설정된 파장의 모든 시프트는 시청자의 좌안으로 보내진 이미지들에서 증가된 고스팅을 야기할 것이다.
네마틱 액정에 있어서, 복굴절(Δn)의 온도 의존성은 다음 식으로 근사치를 얻을 수 있다.
Figure pct00001

여기서, T는 켈빈 단위의 온도이고, Tclp는 켈빈 단위의 네마틱-등방성 천이 온도이며, Δn0은 주문 파라미터 단위를 갖는 완벽히 정렬된 네마틱 액정의 허구의 복굴절을 나타낸다. 수량(Δn0)은 예를 들어, 20°C 고정 온도로 복굴절을 정규화함으로써 상기 식을 반영할 수 있다.
도 32는, 20°C에서 0.1126의 복굴절 및 75°C의 Tclp을 갖는 ECB 혼합물 MLC-7030과, 또한, 20°C에서 0.1091의 복굴절 및 Tclp 80.5°C를 갖는 VAN 혼합물 MLC-7026-100의, 20°C에서 복굴절에 의해 정규화되는 복굴절의 시뮬레이트된 온도 의존성을 도시한다. 이들 곡선들의 형태들은 실제로 측정된 것들과 약간 차이가 있을 수 있지만, 추세는 여전히 유사하게 된다.
도 33은 ECB 혼합물 MLC-7030로 채워지고, 3.0 pm 셀 갭 및 3°의 선경사각을 갖는 ECB 디바이스가 20° C에서, °단위의 위상 시프트의 시뮬레이트된 전압 의존성을 도시한 그래프이다. 전압이 인가될 때, 위상 시프트는 약 220°에서 0°쪽으로 단조롭게 감소한다. 이러한 곡선은 제 1 또는 제 2 ECB 디바이스들에 적용한다. 두 개의 ECB 디바이스들의 지상 축들이 서로 직각으로 정렬되어 있기 때문에, ECB 디바이스들 중 하나의 위상 시프트는 다른 위상 시프트로부터 차감한다. 제 2 서브프레임 동안, 고전압 크기(VH)는 위상차(ΓR)를 결과로서 나타내는 제 1 ECB 디바이스에 인가되고, 제로가 될 수 있는 낮은 전압 크기(VL)는 위상차(Γ0)를 결과로서 나타내는 제 2 ECB 디바이스에 인가된다. 최적화 성능을 위해 90°만큼 편광극을 회전시키기 위하여, 설계 파장(λ)에서 180° 의 위상 시프트인, Γ0 - ΓR = λ/2가 된다. 전압들은 180° 위상 시프트 조건을 성취하기 위하여 ECB 디바이스들 모두 또는 하나에 인가될 수 있다. 도 33에 도시된 예에 있어서, 제 1 ECB 디바이스에 VH = 20.8V를 인가하는 것은 9.1°의 위상 시프트를 제공하고, 제 2 ECB 디바이스에 VL = 2.2 V를 인가하는 것은 189.1°의 위상 시프트를 제공하여, 결합을 위해 180°의 원하는 위상 시프트차를 결과로서 얻는다.
도 33의 조사는 80°의 전체 위상 시프트를 제공하게 되는 많이 가능한 전압 쌍(VH, VL)이 있을 수 있다는 것을 알았다. 도 34는, 도 32에 도시된 것처럼, 일정한 180° 위상 시프트의 곡선들의 군으로서 그들 전압 쌍의 구성을 제공하고, 각각의 곡선은 20°C, 30°C, 40°C, 또는 45°C의 온도에 대응하고,시뮬레이션은 온도의 증가로 MLC-7030의 복굴절의 감소를 고려한다. 도 34는 180°의 원하는 위상 시프트를 유지하기 위하여 온도에 따라 개별적으로 또는 결합으로 VH 및 VL이 조정될 수 있는 것을 명확히 나타낸다. 180°의 일정한 위상 시프트를 유지하기 위하여 VH 및 VL 모두를 동시에 조절하는 것이 특히 유리하게 될 수 있다. 이는 VH 및 VL 모두가 온도를 감시킴에 따라 증가되는 도 34에 도시된 제어 라인에 의해 제시된다. 온도를 감소시킴으로써 VH를 증가시키는 것은 낮은 온도에서 빠르게 턴-온을 보장하고, 액정의 점도는 크게 상승된다.
도 35는 온도의 넓은 범위에 걸쳐 180°의 일정한 위상 시프트를 유지하기 위해 VH 및 VL 레벨들을 조정하는데 이용될 수 있는 회로(300)의 간단한 블록 다이어그램을 도시한다. 회로(300)에서, 온도 센서(302)는 액정 디바이스들 (304 및 306)에서 작동 온도를 측정하고, 처리 회로(308)를 통해 액정 디바이스들(304 및 306)의 저장된 위상 시프트 응답에 따라 VH 및 VL 레벨들을 조정한다. 이후, VH 및 VL 레벨들은 구동 파형들을 액정 디바이스들(304 및 306)에 인가하는 타이밍 및 구동 회로(310)에 전달된다. 센서(302)에 의해 측정된 온도에 따라 VH 및 VL 레벨들을 조절하도록 수행하는 제어 절차는 도 34의 것들과 유사한 곡선들로부터 결정될 수 있고, 여기서, 실제 측정된 곡선들은 시뮬레이트된 근사치들 대신에 저장 및 이용될 수 있다.
도 36은 VAN 혼합물 MLC-7026-100으로 채워지고, 3.0 pm 셀 갭 및 87°의 선경사각을 갖는 VANB 디바이스가 20°C에서, ° 단위의 위상 시프트의 시뮬레이트된 전압 의존성을 도시한 그래프이다. 전압이 인가될 때, 위상 시프트는 0° 근처에서 약 205°까지 단조롭게 증가한다. 이러한 곡선은 제 1 또는 제 2 VAN 디바이스들에 적용한다. 두 개의 VAN 디바이스들의 지상 축들이 서로 직각으로 정렬되어 있기 때문에, VAN 디바이스들 중 하나의 위상 시프트는 다른 위상 시프트로부터 차감한다. 제 2 서브프레임 동안, 고전압 크기(VH)는 위상차(Γ0)를 결과로서 나타내는 제 2 VAN 디바이스에 인가되고, 제로가 될 수 있는 낮은 전압 크기(VL)는 위상차(ΓR)를 결과로서 나타내는 제 1 VAN 디바이스에 인가된다. 최적화 성능을 위해 90°만큼 편극광을 회전시키기 위하여, 설계 파장(λ)에서 180° 의 위상 시프트인, Γ0 - ΓR = λ/2가 된다. 전압들은 180° 위상 시프트 조건을 성취하기 위하여 VAN 디바이스들 모두 또는 하나에 인가될 수 있다. 도 36에 도시된 예에 있어서, 제 2 VAN 디바이스에 VH = 24.9V를 인가하는 것은 204.7°의 위상 시프트를 제공하고, 제 1 VAN 디바이스에 VL = 2.2V를 인가하는 것은 24.7°의 위상 시프트를 제공하여, 결합을 위해 180°의 원하는 위상 시프트차를 결과로서 얻는다.
도 36의 조사는 180°의 전체 위상 시프트를 제공하게 되는 많이 가능한 전압 쌍(VH, VL)이 있을 수 있다는 것을 알았다. 도 37은, 일정한 180° 위상 시프트의 곡선들의 군으로서 그들 전압 쌍의 구성을 제공하고, 각각의 곡선이 20°C, 30°C, 40°C, 또는 45°C의 온도에 대응하고, 시뮬레이션이 도 32에 도시된 것처럼, 온도의 증가로 MLC-7026-100의 복굴절의 감소를 고려한다. 도 36은 180°의 원하는 위상 시프트를 유지하기 위하여 온도에 따라 개별적으로 또는 결합으로 VH 및 VL이 조정될 수 있는 것을 명확히 나타낸다. 180°의 일정한 위상 시프트를 유지하기 위하여 VH 및 VL 모두를 동시에 조절하는 것이 특히 유리하게 될 수 있다. 이는 VH 및 VL 모두가 온도를 감시킴에 따라 증가되는 도 37에 도시된 제어 라인에 의해 제시된다. 온도를 감소시킴으로써 VH를 증가시키는 것은 낮은 온도에서 빠르게 턴-온을 보장하고, 액정의 점도는 크게 상승된다.
본 기술 분야에 숙련된 사람들에게는 본 발명의 기본 원리로부터 벗어나지 않고 상술한 실시예들의 상세에 많은 변경안들이 있을 수 있음은 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음 청구 범위에 의해서만 결정되어야 한다.
22: 입력 소스
24: 입력 편광판
42: 입력 편광 방향
26: 제 1 TN 디바이스
28: 제 2 TN 디바이스
44: 출력 편광 방향
60: 출력 편광판
52: 디스플레이 구동 회로

Claims (31)

  1. 관찰자가 시간-다중화 입체 3차원 이미지를 보기 위한 광학 편광 상태 변조기로서, 상기 변조기는 입력 편광 상태의 광을 교호 시퀀스로 수신하고 업데이트된 이미지 부분들을 포함하는 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 다른 서브프레임에서 한 장면의 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 전달하고, 상기 광학 편광 상태 변조기는,
    광학 시리즈로 결합된 제 1 및 제 2 액정 디바이스들로서, 이들을 통해 전파되는 편광된 광은 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에 인가되는 전압들에 응답하여 편광 상태가 변경될 수 있고,
    제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 각각의 제 1 및 제 2 세트들의 디렉터들을 갖고, 인가되는 동일한 전압의 제거에 응답하여, 제 1 및 제 2 세트들의 디렉터들이 협력하여 편광 상태 변화들을 완화시키고 이에 의해 동적으로 상쇄하도록 구성 및 배향되어, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들의 결합을 통해 전파되고 나가는 입사광의 여러 파장들이 입력 편광 상태로 되는, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들;
    각각의 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에 제 1 및 제 2 구동 신호들을 전달하는 구동 회로로서, 상기 제 1 및 제 2 구동 신호들은 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에 대한 낮은 크기의 디렉터 필드 상태들을 확립하는 낮은 크기의 레벨들을 포함하고, 제 1 및 제 2 구동 신호들은 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에 대해 높은 크기의 디렉터 필드 상태들을 확립하는 낮은 크기의 레벨에서 높은 크기의 레벨로의 전력화된 천이들을 갖는 펄스들을 포함하는, 구동 회로를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 구동 신호들은 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 하나의 서브프레임 동안 협력하여, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들에서, 하나의 서브프레임의 업데이트된 이미지 부분 동안 디렉터들이 완화시키는 높은 크기의 디렉터 필드 상태들의 형성을 생성하여, 제 1 및 제 2 세트들의 디렉터들은 편광 상태 변화들을 상쇄하고, 이에 의해, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들의 결합을 통해 전파되는 이미지 전달 편광된 광에 입력 편광 상태인 제 1 출력 편광 상태를 제공하고,
    상기 제 1 및 제 2 구동 신호들은 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 다른 서브프레임 동안 협력하여, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들 중 다른 액정 디바이스에서 다른 서브프레임의 업데이트된 이미지 부분 동안 낮고 높은 크기의 디렉터 필드 상태들의 형성을 생성하여, 제 1 및 제 2 세트들의 디렉터들은 편광 상태 변화들을 상쇄하지 않고, 이에 의해, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들의 결합을 통해 전파되는 이미지 전달 편광된 광에 제 1 출력 편광 상태와 다른 제 2 출력 편광 상태를 제공하는, 광학 편광 상태 변조기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 세트들의 디렉터들 중 한 세트의 디렉터들은 제 1 및 제 2 세트들의 디렉터들 중 다른 세트의 디렉터들의 90도 회전된 미러 이미지로서 구성되는, 광학 편광 상태 변조기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 트위스트 네마틱 타입으로 되어 있는, 광학 편광 상태 변조기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 액정 디바이스들은, 동일하지만 반대의 키랄성(chirality)의 키랄 도판트들(chiral dopants)을 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 광 전달 표면들을 포함하고, 광 전달 표면들에 광학축들의 투영들(projections)이 직각으로 관련되도록 배열된 광학축들을 갖는 pi-셀 타입으로 되어 있는, 광학 편광 상태 변조기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    제 1 및 제 2 액정 디바이스들은, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들 중 하나의 액정 디바이스의 표면 접촉 디렉터들이 제 1 및 제 2 액정 디바이스들 중 다른 액정 디바이스의 표면 접촉 디렉터들에 직각으로 관련되도록 배열된 정렬층 표면 접촉 디렉터들을 갖는 전기적으로 제어되는 복굴절 타입으로 되어 있는, 광학 편광 상태 변조기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    광 입구 표면 및 광 출구 표면을 가지며,
    서로 광학적 연결된 이미지 소스 및 입력 편광판으로서, 상기 이미지 소스는 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 교호 시퀀스로 생성하고, 입력 편광 상태로 광을 생성하며, 광 입구 표면에 입사를 위해 입력 편광판을 나가는 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 전달하는, 이미지 소스 및 입력 편광판; 및
    전송 매체에 의해 광 출구 표면으로부터 분리되고 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 다른 서브프레임 동안 제 1 및 제 2 출력 편광 상태들의 이미지 전달 편광된 광을 수신하도록 구성된 제 1 및 제 2 뷰잉 디바이스들을 포함하는 패시브 디코더로서, 제 1 뷰잉 디바이스는 제 1 출력 편광 상태의 광을 투과하고, 제 2 출력 편광 상태의 광을 차단하도록 배향된 제 1 전송 편광축을 갖는 제 1 편광판을 포함하고, 제 2 뷰잉 디바이스는 제 2 출력 편광 상태의 광을 투과하고, 제 1 출력 편광 상태의 광을 차단하도록 배향된 제 2 전송 편광축을 갖는 제 2 편광판을 포함하고, 이에 의해, 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 다른 서브프레임 동안 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 관찰자에 제공하는, 패시브 디코더를 더 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    광 입구 표면 및 광 출구 표면을 가지며,
    광 입구 표면에 입사를 위해 입력 편광 상태의 광을 생성하도록, 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 전달하고, 전송 매체를 통해 전파되며, 입력 편광판을 통해 전파되는 광을 방출하고, 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 전달하는 이미지 소스; 및
    제 1 및 제 2 투시 이미지들 중 해당하는 투시 이미지를 관찰자에 제공하도록 제 1 및 제 2 출력 편광 상태들 중 하나의 출력 편광 상태의 이미지 전달 편광된 광이 통과하는 광 출구 표면과 광학적으로 연결된 분석 편광판을 더 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 입력 편광판 및 분석 편광판은 서로 횡으로 관련된 입력 필터 전송 편광축 및 분석 필터 전송 편광축을 각각 갖는, 광학 편광 상태 변조기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 입구 및 출구 표면들은 제 1 및 제 2 액정 디바이스들 중 다른 디바이스와 연결되고, 제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 복굴절에 의해 특징지어 지는 액정 물질로 구성되고, 액정 물질의 오프-축 복굴절(off-axis birefringence) 효과는 시스템 특성의 뷰잉 각도 범위에 기여하며,
    제 1 및 제 2 투시 이미지들을 전달하는 입력 편광 상태의 광이 광 입구 표면에 입사를 위해 나가는 입력 편광판;
    제 1 및 제 2 서브프레임들 중 다른 서브프레임 동안 제 1 및 제 2 출력 편광 상태들의 이미지 전달 편광된 광을 수신하는 출력 편광판; 및
    입력 및 출력 편광판들 사이에 위치되어, 특성 시스템 뷰잉 각도 범위보다 넓은 시스템 뷰잉 각도 범위를 생성하도록 오프-축 복굴절 효과들들 적어도 부분적으로 상쇄하는 복굴절 보상기를 더 포함하는 광학 편광 상태 변조기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복굴절 보상기는 C 보상기를 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 전기적으로 제어되는 복굴절 타입으로 되어 있는, 광학 편광 상태 변조기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 입력 편광판 및 출력 편광판은 서로 횡으로 관련된 입력 필터 전송 편광축 및 출력 필터 전송 편광축을 각각 가지며, 상기 C 보상기는 광 출구 표면과 출력 편광판 사이에 위치되는, 광학 편광 상태 변조기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 전기적으로 제어되는 복굴절 타입으로 되어 있는, 광학 편광 상태 변조기.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 복굴절 보상기는 횡으로 정렬된 각각의 제 1 및 제 2 지상 축들(slow axes)을 갖는 제 1 및 제 2 이축성 복굴절 층들(biaxial birefringent layers)을 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 수직으로 정렬된 네마틱 타입으로 되어 있는, 광학 편광 상태 변조기.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 입력 편광판 및 출력 편광판은 서로 횡으로 관련된 입력 필터 전송 편광축 및 출력 필터 전송 편광축을 각각 갖고, 상기 제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 제 1 및 제 2 이축성 복굴절 층들 사이에 위치되는. 광학 편광 상태 변조기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 수직으로 정렬된 네마틱 타입으로 되어 있는, 광학 편광 상태 변조기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    광 입구 및 출구 표면들은 제 1 및 제 2 액정 디바이스들 중 다른 액정 디바이스와 연결되고, 상기 제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 시스템 특성 콘트라스트 비율(contrast ratio)에 기여하는 파장 분산을 나타내는 복굴절에 의해 특징지어 지는 액정 물질로 구성되고,
    제 1 및 제 2 투시 이미지들을 전달하는 입력 편광 상태의 광이 광 입구 표면에 입사를 위해 나가는 입력 편광판;
    광 출구 표면 근처에 위치되어 제 1 및 제 2 편광 상태들의 광을 전달하는 이미지에 원편광을 전달하는 1/4 파장 광학 리타더(quarter-wave optical retarder);
    전송 매체에 의해 광 출구 표면 및 1/4 파장 광학 리타더로부터 분리되고, 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 다른 서브프레임 동안 제 1 및 제 2 출력 편광 상태들의 이미지 전달 편광된 광으로부터 원편광을 수신, 및 제거하도록 구성된 제 1 및 제 2 뷰잉 디바이스들을 포함하는 패시브 뷰잉 디코더로서, 제 1 뷰잉 디바이스는 지상 축을 갖는 제 1 파장 광학 리타더를 구비하고 제 1 출력 편광 상태의 광을 투과하고, 제 2 출력 편광 상태의 광을 차단하도록 제 1 파장 광학 리타더의 지상 축에 대해 배향된 제 1 전송 축을 갖는 제 1 편광판과 협력하고, 제 2 뷰잉 디바이스는 지상 축을 갖는 제 2 파장 광학 리타더를 구비하고, 제 2 출력 편광 상태의 광을 투과하고, 제 1 출력 편광 상태의 광을 차단하도록 제 2 파장 광학 리타더의 지상 축에 대해 배향된 제 2 전송 축을 갖는 제 2 편광판과 협력하는, 패시브 뷰잉 디코더를 포함하고,
    1/4 파장 광학 리타더는 광 출구 표면에 인접하게 위치하고, 제 1의 1/4 파장 광학 리타더 및 제 2의 1/4 파장 광학 리타더는 제 1 및 제 2 서브프레임들 중 다른 서브프레임 동안, 시스템 특성 콘트라스트 비율보다 높은 콘트라스트 비율을 나타내는 제 1 및 제 2 투시 이미지들을 관찰자에게 제공하기 위해 액정 물질의 복굴절율의 파장 분산에 실질적으로 일치하는 파장 분산으로 특징지어 지는 복굴절 물질로 각각 구성되는, 광학 편광 상태 변조기.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 광 출구 표면과 상기 패시브 뷰잉 디코더의 제 1 및 제 2 편광판들 사이에 위치된 C 보상기를 더 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 C 보상기는 광 출구 표면 근처에 위치된 1/4 파장 광학 리타더에 부착된, 광학 편광 상태 변조기.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 C 보상기는 각각의 제 1 및 제 2의 1/4 파장 광학 리타더들에 부착된 제 1 및 제 2 부분들을 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  23. 제 19 항에 있어서,
    서로 다른 복굴절 특성들에 의해 특징지어지는 각각의 제 1 및 제 2 뷰잉 디바이스들에 포함된 제 1 및 제 2 복굴절 보상기들을 더 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 복굴절 보상기들 중 적어도 하나는 A 및 C 보상기 층들을 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 복굴절 보상기들 각각은 광학 위상 지연의 다른 값들을 갖는 A 및 C 보상기 층들을 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 전기적으로 제어되는 복굴절로 되어 있는, 광학 편광 상태 변조기.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 복굴절 보상기들 중 다른 하나는 이축성 복굴절 층을 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 액정 디바이스들은 수직으로 정렬된 네마틱 타입으로 되어 있는, 광학 편광 상태 변조기.
  29. 제 1 항에 있어서,
    디바이스 작동 온도 정보를 측정하기 위해 상기 제 1 및 제 2 액정 디바이스들과 동작 가능하게 연결된 온도 센서;
    상기 제 1 및 제 2 액정 디바이스들의 디렉터 필드 상태들에 대응하는 온도-종속 위상 시프트 응답 데이터를 포함하는 메모리 스토어들; 및
    상기 구동 회로와 동작 가능하게 연결되어, 1/2 파장 편광 상태 변화를 확립하는 제 1 및 제 2 구동 신호들을 생성하는 처리 회로로서, 측정된 디바이스 작동 온도 정보에 대응하는 저장된 위상 시프트 응답 데이터를 액세스하고, 상기 구동 회로가 1/2 파장 편광 상태 변화에 대응하는 실질적으로 일정한 위상 시프트를 넓은 온도 범위에 걸쳐 유지하는 높고 낮은 크기의 레벨들의 제 1 및 제 2 구동 신호들을 생성하도록 하는, 처리 회로를 더 포함하는, 광학 편광 상태 변조기.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 저장된 온도-종속 위상 시프트 응답 데이터는 실제 측정에 의해 생성되는, 광학 편광 상태 변조기.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 저장된 온도-종속 위상 시프트 응답 데이터는 시뮬레이션에 의해 생성되는, 광학 편광 상태 변조기.
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