TWI522675B - Phase modulator for modulating cyclic polarized light interacting with a phase modulator and a display for displaying two- and / or three-dimensional image contents - Google Patents

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Description

用於調變與相位調變器交互作用之循環偏振光線的相位調變器及顯示二維及/或三維影像內容的顯示器
本發明係一種用於調變與相位調變器交互作用之循環偏振光線的相位調變器。此外，本發明還包括一種用於顯示二維及/或三維影像內容的顯示器。
可以按照S.Pancharatnam,Proc.Ind.Acad.Sci.p.137,1955描述的方式調變光線的相位，這種方式是以循環偏振光線及λ/2板P在平面上的旋轉(也就是使λ/2板P在其所在平面上旋轉)來進行。第1圖顯示的就是這種調變方式。循環偏振光線照射在一λ/2板P上。循環偏振光線的旋轉方向會被改變(左循環偏振光線lpL及/或右循環偏振光線rpL)。此外會產生一個隨λ/2板P之光學軸oA在平面上的角度而變化的相位。如果λ/2板P旋轉一個角度φ(第1圖下方的情況)，則相位在出口處的角度變化是2 φ。因此相位的改變相當於λ/2板P之旋轉角度的兩倍。當λ/2板P旋轉180度時，可以獲得360度(2 π)的相位調變及/或相位改變。
在以液晶為基礎的光調變器內可以產生液晶分子的長軸的 旋轉，例如透過電場產生此種旋轉，以取代λ/2板的機械性旋轉。
向列型液晶通常僅對所施加之電壓的大小有反應，而不會對該電壓的正負號有反應。透過一規定的液晶分子的表面方向及一在像素平面的電場(例如IPS(平面電場切換)液晶模式的電場)、其中該電場係以與表面方向夾某一角度的方向施加上去、其中該角度最大可達90度，則液晶分子也可以僅產生0度至最多90度的旋轉。層列型液晶(例如偏振遮蔽層列型(PSS)液晶模式中的液晶)的旋轉方向會隨電場的正負號改變。但是液晶本身並無法單獨旋轉+90度或-90度。和向列型液晶相反的是，層列型液晶分子係排列在層面上，且液晶分子的90度旋轉可能無法與層面結構之維持保持一致。因此以傳統型液晶模式無法使液晶分子的旋轉達到所期望之180度的角度範圍。
DE 10 2009 045 125.0及國際專利登記PCT/EP2010/064504描述一種解決這個問題的方法，這種方法是透過一可切換之表面配向及一種前面提及之液晶模式的組合，擴大液晶分子之旋轉的角度範圍。這種方法的缺點是製造過程及控制都比較麻煩。按照這種方法，在製造空間燈光調變器(SLM)時必須在基板上設置一特殊的配向層，這個配向層的製造材料不同於現今製造LCD用的標準材料。至於SLM的控制則必須為切換表面配向及直接控制液晶分子分別產生不同的信號。如果在時間上接著需要這兩種信號，則需要更快的信號傳輸以控制SLM的像素，以便透過這兩種信號的組合調整到一單一的相位值。
WO 2008/104533 A1及其他內容相似的文獻(例如在Eurodisplay[1]及Imid2009[2]等會議發表的文獻)均有提及一種混合排列向列 (HAN)液晶模式。在三明治式排列中，位於兩片基板之間的液晶分子在一表面上的方向垂直於三明治表面，在另一表面上的方向則平行於三明治表面。這個表面方向是固定的。例如平行方向常見於IPS模式或TN模式，垂直方向常見於VA(垂直配向)模式。雖然兩片基板各需要不同的配向層，但是都能夠以LCD工業常見的標準材料製造。
在最簡單的理論模式中，液晶分子通常被描述為剛性棒(rigid rods)，也就是將液晶視為固態的棒子。和這個簡化的假設不同的是，液晶也可以具有彎曲的香蕉狀(“banana shape”)或一端具粗、另一端較細的梨子狀(“pear shape”)。對兩根理想化的棒子而言，平行定向及反向平行定向在能量上是等值的，但是對變化的形狀而言，尤其是對感應變形(例如傾斜或彎曲)的形狀而言，平行定向是較佳的，例如梨子狀或香蕉狀的液晶分子的平行定向優於反向平行定向。
透過液晶分子的變形也會在具有相應之分子形狀的液晶材料內感應生成偏振。這種現象稱為彎曲電電氣效應。當彎曲電氣偏振的現象發生時，液晶分子會隨著施加之電場的正負號而作出不同的反應。
HAN模式是透過液晶在兩片基板上的不同表面方向及透過液晶之間的彈性力(因越過液晶層厚度從平行方向連續過渡到垂直方向產生的彈性力)感應生成這種變形，因而產生彈性電氣偏振。
施加平面電場時，液晶分子及/或液晶分子在顯示平面(該顯示平面平行於SLM之基板的表面)上的投影會發生旋轉。由於彈性電氣偏振的關係，液晶分子的旋轉方向是由電壓的正負號決定。在WO 2008/104533 A1描述的模式中，有些模式具有和IPS顯示器相同的電極排列方式，有些則 和FFS(邊界電場切換)顯示器一樣，在相同的基板上另外還有一個基底電極。此外，在WO 2008/104533 A1提出的另外一些模式中，平面電極或FFS電極係選擇性的排列在帶有平行方向之液晶分子的基板上，或是排列在帶有垂直方向之液晶分子的基板上，其中前者的情況稱為△ε為正的液晶材料構造，後者的情況稱為△ε為負的液晶材料構造。
WO 2008/104533 A1提出這些模式的目的是為了縮短兩個開關過程(切斷及接通)的開關時間，由於這兩個開關過程都是由一個電場控制，在該電場內可使用(正負)符號不同的電壓。振幅調變是透過線性偏振光進行，而且液晶分子僅需作+45度或-45度的旋轉。
在WO 2008/104533 A1及一與其相之文獻[1]描述的根據IPS的電極排列中，每一電極及其後之電極的下一個電極均具有相同的電壓。因此在每兩個電極之間電場的正負號都會發生變化，其後果是造成像素內液晶分子的旋轉方向在一小範圍內交替變化。這對於振幅調變器並不會造成干擾，因為在這種情況下，振幅調變是由旋轉角的大小決定，而不是由旋轉角的正負號決定。但是這種模式對相位調變並不適合，因為在一像素內會逐段實現不同的相位值。類似的情況也會發生在根據FFS的電極排列方式中，也就是液晶分子在光柵的兩個電極之間的一半區域會產生一種旋轉方向，在另外一半的區域則產生另外一種旋轉方向，例如文獻[2]第3圖顯示的情況。同樣的，這種電極排列方式也是僅適合於振幅調變，但是對相位調變並不適合。
本發明的目的是提出一種以液晶為基礎的光調變器及/或相位調變器，此種光調變器及/或相位調變器能夠對光的相位進行大約2 π之相 位值範圍的調變，而且其工作方式是以液晶分子的平面分量的旋轉為基礎。本發明的另外一個目的是找出一種比DE 10 2009 045 125.0描述貴液晶模式的組合(具有可開關之表面配向的IPS或PSS)更簡單的製造及控制方式。
採用具有申請專利範圍第1項之特徵的用於調變與相位調變器交互作用之循環偏振光線的相位調變器，即可達到上述目的。本發明之相位調變器具有一第一基板、一第二基板、一電極配置、以及一含有液晶分子的液晶層，其中第一基板位於第二基板的對面。一種有利的方式是第一基板基本上平行於第二基板。液晶層係位於兩片基板之間。第一基板具有一第一表面或表面層，第二基板具有一第二表面或表面層。第一表面的作用是使鄰近第一表面的液晶分子定向於一基本上與第一表面平行的方向。第二表面的作用是使鄰近第二表面的液晶分子定向於一基本上與第二表面垂直的方向。可以控制電極配置，以便能夠在一大約180度的角度範圍內調整液晶分子方向的平面分量，例如以一可事先給定的中間方向為準，在+90度及-90度的角度範圍內調整。
本發明之相位調變器及/或光調變器尤其具有SLM(空間燈光調變器)的作用方式，也就是可以根據相位調變器的空間位置調變及/或影響與相位調變器交互作用之光線的相位，尤其是透過對相位調變器的控制調變及/或影響與相位調變器交互作用之光線的相位。本發明之相位調變器係為與循環偏振之光線的交互作用而設計。如果光源發出的光線不具備循環偏振，則可以在本發明之相位調變器的入口端設置一相應的偏振器。
本發明係應用HAN模式，以根據電場的(正負)符號選擇性的使液晶分子方向之平面分量在0至+90度或0至-90度的範圍內旋轉，以及透 過對施加之電場的控制，達到在0至2 π的角度範圍內的相位調變。一個-90度的液晶分子方向的平面分量相當於0度的相位調變，一個0度的液晶分子方向的平面分量相當於π的相位調變，一個+90度的液晶分子方向的平面分量相當於2 π的相位調變。所選擇的液晶層厚度最好是使液晶層的光學性能相當於一λ/2板。如果相位調變器的出口端設有一循環偏振器，則可以選擇其他的液晶層厚度，並將該液晶層厚度應用於相位調變器。但這樣做的缺點是，相位調變器的透明性會因為厚度的改變而降低。本發明的相位調變器的一個優點是可以應用於一種以下長(例如應用於紅光、綠光及藍光)，在此情況下，所選擇之液晶層厚度應使液晶層對平均波長(例如綠光)的光學性能相當於一λ/2板。一般而言，所選擇之液晶層厚度應使液晶層的光學性能相當於一延遲板。
相位-SLM會在一具有通常是多個電極的梳形配置的像素內，產生一遠越像素的一致的平面電壓梯度。該電壓梯度的正負號決定液晶分子的旋轉方向，該電壓梯度的強度則決定液晶分子的旋轉角度。
相位調變器的一種相應配置亦可用於反射式顯示器，為此只需一較小的角度範圍(+45度至-45度)，以便獲得一相當於2 π的相位調變，或是能夠應用一光學性能相當於一λ/4板的較薄的液晶層及整個角度範圍，這是因為光線穿過反射式相位SLM兩次的關係。本發明的相位調變器可以是反射式的，也可以是透射式的。
本發明的相位調變器亦可作為DE 10 2009 045 125.0或國際專利登記PCT/EP2010/058625描述之相位偏轉器。因此DE 10 2009 045 125.0或國際專利登記PCT/EP2010/058625公佈的內容全部被包含在本專利說明 中。DE 10 2009 045 125.0或國際專利登記PCT/EP2010/058625有描述繞射元件(稱為繞射裝置)，例如在全像顯示器中可用於追蹤觀察者的相位偏轉器。由於本發明的相位偏轉器亦可作為DE 10 2009 045 125.0或國際專利登記PCT/EP2010/058625描述之繞射裝置，因此DE 10 2009 045 125.0或國際專利登記PCT/EP2010/058625公佈的內容全部被包含在本專利說明中。
透過對各單一平面電極的個別控制，可以實現以相位調變為基礎的可變式偏轉光柵，此種偏轉光柵的電極間距與液晶層厚度屬於相同的數量級，且其應用方式和DE 10 2009 028 626.8或國際專利登記PCT/EP2010/058625之描述相同。一種有利的方式是和在偏振光柵中一樣調整成一週期性旋轉的液晶方向的平面分量，這樣在一光柵週期內就可以達到液晶分子之平面投影在0度至180度之間的連續旋轉。這是透過電相之間相應的電壓梯度及透過液晶分子之間的彈性力達到的。透過適當的控制，可以調整液晶分子的可調整方向及折射率分佈，這樣就可以根光學應用的需要調整可變式光柵週期。這樣就可以實現可變式偏振光柵。這種實現方式比先前技術的實現方式更簡單。例如，這種實現方式比US 2009/0073331 A1提出之V-COPA可變式偏振光柵的實現方式更簡單。
和DE 10 2009 045 125.0的方法不一樣的是，本發明可以利用工業上習用的方法應用液晶分子的固定表面方向，例如以刷子刷過基板的表面塗層。因此本發明之相位調變器的製造過程及控制方式都比較簡單。和PSS液晶相反，本發明可以使用向列型液晶。基本上向列型液晶的加工(填充，配向)是比較簡單的。本發明亦可應用於WO 2008/104533 A1所稱之快速切斷及接通的相位調變，亦可應用於高繞射效率之偏振光柵的偏轉 光柵。
一種可能的方式是將相位調變器設計成使與相位調變器交互作用之光線會因為繞射的關係，被偏轉至一可事先給定的方向，因而實現一偏轉光柵的功能。這樣本發明的相位調變器就可以達成和DE 10 2009 028 626.8相同的應用方式。為此可以透過對相位調變器之電極配置的電極進行適當的控制，調整一可事先給定的液晶分子方向，以便在液晶分子層內形成一相應的折射率分佈，從而產生偏轉光柵的性能。
可以控制相位調變器之電極配置的電極，以根據光束照射在相位調變器的空間位置將光線或光束偏轉到一可事先給定的可改變的方向。
另外一種可行的方式是相位調變器具有單一的像素。例如這種相位調變器可作為WO 2006/066919 A1提出之全像顯示器的光學構件，該光學構件會對全像數據進行編碼，以便使全像顯示器重建及/或顯示三維景像。相位調變器的每一個像素都具有至少電極配置的兩個電極。
可以控制電極配置，以便在一像素的範圍形成一基本上固定的電壓梯度，尤其是在相位調變器的像素範圍。可以控制電極配置，以便在兩個相鄰電極之間形成一基本上固定的電壓差，尤其是在相位偏轉器的兩個相鄰電極之間。
對IPS光調變器的一個一般的IPS像素而言，液晶的方向僅對電壓的平方有反應，此種像素通常是使用構造如同兩個彼此套在一起的梳子的電極，如第3圖所示。在這種情況下，只需兩個電壓值，其中一個電壓值用於相當於第一個梳子(共集電極)的電極，另外一個電壓值則用於相當於 第二個梳子的電極。在兩個平面電極之間會交替接通一個帶有不同符號的電壓(+V及-V)。但是對本發明之光調變器的像素而言，在相鄰的電極之間需要接通一帶有相同符號的電壓。因此必須在像素內為電極配置的各個單一電極分別應用一上升的電壓值(或應用一下降的電壓值，視相位值而定)。因此控制像素所需要的總合電壓可能會因為不同的液晶模式(例如IPS)而提高。
根據本發明的一種有利的實施方式，一個基板的一個表面帶有一結構化表面塗層或配向層，該結構化表面塗層或配向層具有第一及第二結構化區域，其中第一及第二結構化區域彼此相鄰，而且是位於兩個相鄰的電極之間，其中與第一結構化區域接觸之液晶基本上是反向平行於與第二結構化區域接觸之液晶。這樣至少可以在一片基板的表面上形成帶有結構化配向層的液晶混合配向。一種有利的方式是，此混合配向係形成於液晶基本上與表面平行之基板的表面。例如，在配向層是由聚醯亞胺製成、以及機械摩擦的情況下，此結構化相當於此聚醯亞胺配向層在不同區域的反向平行摩擦方向。但原則上亦可透過其他材料及其他製造方法進行配向，例如光配向。進行光配向時，可以利用掩膜達到空間結構化，也就是透過掩膜使被遮蔽或未被遮蔽的區域獲得不同的定向。在具有平面電極的基板上，結構化的尺寸要使一對相鄰電極之間形成的結構化具有一個方向，以及在下一對相鄰電極之間形成的結構化具有一基本上相反的方向。另外一種選擇是在本身不具備電極的基板上形成結構化，但是在這種情況下，配向層的結構化區域必須對準對面基板上的電極。在這種情況下，液晶的混合配向是，對一對電極施加正電壓，液晶會產生順時針方向的旋轉， 對下一對電極施加負電壓，液晶會產生順時針方向的旋轉。根據一種有利的方式，這樣的像素可以帶有梳形配置之平面電極，並以和傳統式IPS顯示器之控制像素的方式相同的方式控制這種像素。
DE 10 2009 002 987 A1描述一種相位調變用的可控制裝置，這種裝置是以PSS液晶模式為基礎，而且可以根據要寫入之相位值以正電壓值或負電壓值對每一個液晶調變室進行局部控制。例如負電壓可以用來在0及π之間調整相位值，正負電壓可以用來在π及2 π之間調整相位值。此處要指出的是，顯示器使用的交流電壓對一像素通常是在一畫面施加正電壓，在下一個畫面則施加負電壓。這樣做的目的是避免長時間施加直流電壓造成液晶材料的化學分解及載流子效應。對僅對施加之電壓的平方有反應的傳統液晶模式而言，電壓(正負)符號的變化並不會對液晶的方向造成影響。以PSS作為振幅調變器時，雖然會因為電壓(正負)符號的改變產生兩種不同的液晶方向，但是二者均具有相同的透明性。但是對PSS相位調變器而言，施加之電壓的(正負)符號發生改變卻會造成相位值的不利變化。為解決這個問題，DE 10 2009 002 987 A1建議在兩個連續出現的畫面之間導入一相位全局偏移，因為對相位調變器的性能而言，只有相鄰像素之間的相對相位是重要的，而不是寫入像素的絕對相位。對相位調變器的大多數像素而言，透過相位偏移，兩個畫面之間的電壓的(正負)符號會改變。
HAN不同於PSS的地方是，HNA光調變器或HAN相位偏轉器的控制是透過同一基板上的兩個相鄰平面電極之間的平面電壓差來進行，而PSS則是透過相對而立的基板上的電極之間的平面外電壓進行控制。但是PSS及HAN也同相同的地方，那就是對振幅顯示而言，當施加之平面電 壓的(正負)符號改變時，雖然會產生不同的液晶方向，但是透明性是相同的，而對相位顯示而言，當施加之平面電壓的(正負)符號改變時會產生不同的相位值。
因此以HAN模式工作的相位調變器(尤其是HAN光調變器或HAN相位偏轉器)需要寫入一特定的相位分佈，但是要避免施加直流電壓。可以透過在統計時間平均值內不同眼睛位置的切換，將相位偏轉器應用於在多位使用者系統之全像顯示器內進行追蹤，在此情況下，在相位偏轉器的兩個電極之間的正電壓及負電壓之間的切換都會達到平衡。如果是單一觀察者系統，而且該觀察者在一段較長的時間(例如好幾秒鐘)停留在一固定位置上，則可能需要透過調整使光柵週期在這段時間內保持不變。因此會有出現直流電壓效應的危險。對SLM而言則是在顯示靜態畫面時會有出現直流電壓效應的危險。
因此本發明的一種有利的實施方式是在連續的畫面之間使用寫入之相位值的一個相位偏移，以避免可能造成干擾的直流電壓效應。此處要注意的是，平面電極上的電壓的絕對值的(正負)符號並不一定會改變，而是相鄰之平面電極之間的電壓會被改變。這個部分將在第9圖及關於第9圖的說明文字中詳細說明。
為了避免直流電壓效應，本發明的另外一種實施方式是在連續畫面內執行電極上的平面電壓的(正負)符號改變，但另外透過一偏振接通元件在兩個畫面之間切換相位-SLM或相位偏轉器的輸入偏振。這個部分將在第10圖及關於第10圖的說明文字中詳細說明。
本發明還提出一種顯示二維及/或三維影像內容的顯示器， 此種顯示器包括一個具有至少一個光源的照明裝置，以及一個如申請專利範圍第1項至第11項中任一項的相位調變器。在光傳播方向上，相位調變器係位於照明裝置之後。一種特別有利的方式是將本發明的顯示器設計成按照WO 2006/0669191 A1描述之原種工作的顯示全像三維影像用的顯示器。也可以將本發明的顯示器設計成可以顯示立體影像及/或立體多視點影像的顯示器。這種顯示器(3D顯示器)能夠以三維方式顯示人眼可看到的三維影像。為避免重複說明，關於本發明之顯示器可能使用之相位調變器的設計方式請參考前面的說明。
本發明的理論可透過各種不同的可能性獲得落實及進一步改良。這些可能性記載於依附在申請專利範圍第1項的各個附屬申請專利項目及以下配合圖式說明的本發明的各種有利的實施方式中。
1‧‧‧相位調變器
2‧‧‧第一基板
3‧‧‧第二基板
4‧‧‧電極配置
5‧‧‧液晶層
6‧‧‧液晶分子
7/8‧‧‧表面
V/V1/V2/V3/V4/V5/V6‧‧‧電壓
E/E1/E2/E3‧‧‧電極
A2‧‧‧結構化配向
以下除了配合圖式說明本發明的各種有利的實施方式外，也有關於本發明的理論的進一步改良方式的說明：第1圖：相位調變器的原理，具有循環偏振光線及一λ/2的光學軸的旋轉。
第2圖：以彈性電氣效應為基礎之先前技術的HAN室的原理。
第3圖：如先前技術之具有IPS型之電極配置的HAN室。
第4圖：本發明之相位調變器的第一種實施方式。
第5圖：如先前技術之以液晶為基礎的偏振光柵。
第6A至6C圖：本發明之相位調變器的另外一種實施方式的一個部分斷面圖。
第7及8圖：本發明之相位調變器的另外一種實施方式的示意圖，其中圖的上半部是正視圖，下前半是側視圖。
第7’及8’圖：如第7及8圖之實施方式的一個像素的部分三維示意圖。
第9及10圖：本發明之相位調變器的另外一種實施方的示意圖，其中正視圖(A)及正視圖(B)分別顯示兩種不同的運轉狀態。
在以上的圖式中，相同或類近的元件均以相同的元件符號代表。
第2圖顯示以彈性電氣效應為基礎之先前技術的HAN室的原理。在HAN室內，位於表面7上的液晶分子6的方向平行於表面7，位於表面8上的液晶分子的方向則垂直於表面8。當液晶分子6具有一適當的分子形狀時，可經由這種方向性形成一彈性電氣偏振。接著液晶分子6的光學軸會產生一個由施加之電壓V的(正負)符號決定的旋轉方向。
第2a圖的上半部分顯示一HAN室的部分斷面圖，下半部分顯示其部分立體側視圖，其中該HAN室的電極配置4並未被激活。第2b圖的左半邊顯示如第2a圖之HAN室處於第一激活運轉狀態的情況，在此狀態下，液晶層5的Pflexo及光學軸係向右旋轉。第2b圖的右半邊顯示顯示如第2a圖之HAN室處於第二激活運轉狀態的情況，在此狀態下，液晶層5的Pflexo及光學軸係向左旋轉。第2c圖顯示一種屬光前技術之HAN室的第一運轉狀態(左半邊)及第二運轉狀態(右半邊)。在這種HAN室中，電極配置4係位於 第一基板2上，同時第一表面7使得與第一表面7相鄰之液晶分子6的縱軸基本上與第一表面7平行。與此相應的，電極配置產生的將液晶分子6定向的平面電場會直接作用在HAN室上待定向之液晶分子6所在的部分，也就是作用在鄰近第一基板2之第一表面7的部分及基本上平行於第一表面之液晶分子6上。
第3圖顯示如先前技術之具有IPS型之電極配置的HAN室及/或具有HAN之振幅像素的一IPS型電極配置，但是這種電極配置不適用於相位像素。正電壓及負電壓在電極配置內交替互換，因此光學軸的旋轉方向也會交替變化。由於振幅調變僅取決於旋轉角度的大小，因此以這種電極配置可以運轉振幅調變的像素。但是相位調變則與電壓的(正負)符號有關。因此第3圖的電極配置並不適於相位調變的像素。
第4圖的上半部分顯示本發明之相位調變器1的部分立體透視圖。相位調變器1包括一第一基板2、一第二基板3、以及一電極配置4。在第一基板2及第二基板3之間有一個未在第4圖中繪出的液晶分子層。第4圖的下半部分顯示帶有電極配置4之第二基板3的斷面圖，但是並未顯示第一基板。此外，第4圖的下半部分還顯示被激活之電極配置4產生的電力線。電極配置4係條帶狀。最好是將電極配置4設計成電極配置4的各單一電極會被施加不同的電壓，如第4圖中的電壓V1至V6。對本發明之相位調變器1的相位調變的像素而言，必須施加一在像素之斷面上方的固定不變的電壓梯度或是為一偏轉光柵之電極進行各別控制之用，也就是V6-V5=V5-V4=…=V2-V1=△V。如果是相位偏轉器，則條帶狀的電極係各別受到控制。
第5圖顯示如先前技術之以液晶為基礎的偏振光柵。液晶分 子6係在平面上定向，並在平面上經由一光柵週期旋轉180度。第5(a)圖顯示一偏振光柵的部分正視圖，也就是觀察者在顯示器上透過這種平行於顯示器表面之偏振光柵看到的正視圖。第5(b)圖顯示如第5(a)圖之在切斷狀態下偏振光柵的側視圖。Λ相當於偏振光柵的光柵週期。在基板2以及基板3的表面上(例如可以是由玻璃構成)具有一結構化表面塗層及/或一配向層AL上。
第6A圖顯示本發明之另外一種實施方式的部分立體三維正視圖，也就是顯示本發明之相位調變器1以HAN模式為基礎的偏振光柵的部分。第6A圖僅顯示第一基板2、帶有表面7，8的第二基板3、以及帶有液晶分子6的液晶層5。雖然第6A圖顯示的液晶分子6為對稱的橢圓形，但實際上液晶分子6也具有未在第6A圖中繪出的可產生彈性電氣效應的香蕉形狀或梨子形狀。無論如何，由於表面7的設計方式，與第一基板的表面7相鄰的液晶分子6的方向基本上是平行於表面7。此外，由於表面8的設圍方式，第二基板3的表面8相鄰的液晶分子6的方向基本上是垂直於表面8。第6A圖並未顯示電極配置。
第6B圖顯示本發明之相位調變器1的另外一種實施方式的一個部分斷面圖。在本發明的這種實施方式的相位調變器中，第一基板2的第一表面7是製作為層狀。與液晶分子6的液晶層5相鄰的表面7被設計成使與表面7相鄰之液晶分子6基本上平行於表面7。具有條帶狀電極之電極配置4係設置在表面7的層內及第一基板2上。第二基板3具有一層狀的表面8，表面8的設計方式使與表面8相鄰的液晶分子6的方向基本上垂直於表面8。第6B圖中的相位調變器1具有一被激活的電極配置4，電極配置4被調整成能夠 形成一光柵週期為16μm的偏振濾光鏡(在第6B圖中僅繪出一半)。液晶層5內顯示的不同灰值相當於所形成之電場強度。此外，第6B圖還顯示此電場強度的等位線。
第6C圖顯示相位調變器1的另外一種實施方式的一個部分斷面圖，其中該部分實現一以HAN模式為基礎的偏振光柵。根據HAN模式，液晶分子6僅在一表面層或表面7上被平面定向，在另一表面層或表面8上則是被平面外定向(也就是基本上垂直於表面8)。在偏振光柵內，液晶分子6的投影會經由一光柵週期被180度旋轉到平面或第一表面7內，而液晶分子6從平面突出的角度大致保持不變。極端情況包括在上方基板2附近產生一純平面內的旋轉，液晶分子6在下方基板3附近垂直於表面7，而且僅環繞本身的軸旋轉。
第7圖顯示本發明之光調變器的一個像素的一部分，其中該像素屬於一顯示器之光調變器的一部分，以及顯示一觀察者在光調器或顯示器上看到的一個正視圖。為了清楚起見，第7圖下方還顯示像素翻轉90度的情況(在右側具有電極E2的下方基板2)。從第7圖上方的正視可以看出，位於下方的液晶分子6鄰近位於觀察者附近並從圖面向外突出的基板。位於上方的液晶分子6鄰近位於距觀察者較遠處並位於圖面上的基板。為了在圖面上產生一致的旋轉角度，在電極E1及E2之間需施加正電壓V1，在電極E2及E3之間同樣也需施加正電壓V1。因此第三電極E3承受的電壓為2xV1。
第8圖顯示在液晶分子6的方向基本上與表面7平行的那一面上具有結構化配向A1及A2的配置。從第8圖上方的正視圖可以看出，在電極E1及E2之間會形成和前面所述相同的配向。在電極E2及E3之間形成的配 向則是上方的液晶方向為垂直方向，下方的液晶分子為水平方向。與此相應的，在相同的電壓下也可能產生其他的旋轉方向。當電極E1的電壓為0V、電極E2的電壓為V1、以及電極E3的電壓為0V，則所施加的電壓會各具有不同的(正負)符號，但是會產生相同的旋轉方向。其他的電極又可以交替的具有電壓值V1及0。一種有利的方式是這種實施方式僅設置兩個梳形電極，而且無需個別控制一像素的單一電極。
第7’及8’圖分別以三維視圖的方式顯示如第7及8圖之上方之光調變器，其中液晶分子6的部分係放大顯示，而且所顯示的是其理想化的三維形狀。
第9圖顯示本發明之相位調變器的另外一種實施方的示意圖。第9圖是說明在連續畫面之間應用相位偏移的情況，尤其是用於HAN相位偏轉器。第9圖僅以示意方式顯示鄰近基板之液晶分子6的方向，其中液晶分子6在該基板上具有一平面定向。第9(B)圖顯示經過相位偏移後，光柵週期仍與第9(A)圖的情況相同，但是施加的電壓會改變，因而可避免出現直流電壓效應。第9圖分別在電極上方顯示施加在兩個相鄰電極之間的相對電壓，在電極下方則顯示施加在電極上的總電壓。對大多數的電極而言，相對電壓會在正電壓及負電壓之間交替變換，對若干電極而言也會在0及正電壓或負電壓之間交替變換。在這個例子中，兩個畫面之間的相位偏移為π，這相當於液晶分子6的平面內旋轉角度改變了90度。原則上也可以使兩個以上的畫面具有不同的相位偏移(例如0、π/2、π、3 π/2)，以便進一步降低產生之電壓的時間平均值。與此相應的，為一畫面寫入相位調變器的相位值應不同於為下一個畫面寫入相位調變器的相位值，以便使相位偏移能夠 改變相鄰之平面內電極之間的電壓差。
第10(A)及10(B)圖顯示本發明之相位調變器的另外一種實施方的示意圖。第10(A)及10(B)圖以示意方式顯示鄰近基板之液晶分子6的方向，其中液晶分子6在該基板上具有一相位偏轉器的平面定向。第10(A)及10(B)圖中的所有電壓的(正負)符號彼此完全相反。因而形成液晶分子6的一種方向分佈，此種方向分佈會為與相位調變器交互作用之光線產生一折射率分佈。此種折射率分佈對循環偏振光線的光線如同具有相同週期、但旋轉方向會改變的偏振光柵。對具有相同之輸入偏振的光線而言，此種偏振光柵相當於一(正負)符號改變的相位變化，並將光線偏到至另一個方向。但如果在第10(A)圖及10(B)圖顯示的運轉狀態之間另外切換入射光線的偏振，例如從左循環切換到右循環(如圖中箭號所示)，則具有如第10(B)圖之液晶分子6的方向的改變過的偏振可以獲得與具有如第10(A)圖之液晶分子6的方向的原本的偏振相同的相位變化。一種有利的方式是經由兩個畫面使施加之電壓的時間平均值變為0。此圖式顯示的實施例是相位偏轉器。以上提及的方法亦可應用於透射式及反射式光調變器。例如可以將偏振接通元件製作成一種以具有平面(非像素化)電極之液晶為基礎的可接通/切斷的λ/2板。換句話說，兩個連續畫面的施加在本發明之相位調變器之電極配置的電極上的電壓的(正負)符號會改變。偏振接通元件會為連續畫面中的一個畫面將與相位調變器交互作用之光線帶到第一偏振狀態，以及為下一個畫面將與相位調變器交互作用之光線帶到第二偏振狀態。
摘錄之公開文獻：
[1] Eurodisplay 2009 Proceedings, Vortrag 4-6
[2] Imid 2009 Digest, Vortrag 1-3, S.14-16
最後要特別指出的是，以上提及的實施例僅是用於解釋本發明的理論，但是並未對本發明的理論或內容有任何限制。
1‧‧‧相位調變器
2‧‧‧第一基板
3‧‧‧第二基板
4‧‧‧電極配置
5‧‧‧液晶層
7/8‧‧‧表面
V1/V2/V3/V4/V5/V6‧‧‧電壓
E‧‧‧電極

Claims (12)

  1. 一種用於調變與相位調變器(1)交互作用之循環偏振光線的相位調變器，具有一第一基板(2)、一第二基板(3)、一電極配置(4)、以及一含有液晶分子(6)的液晶層(5)，其中第一基板(2)位於第二基板(3)的對面，液晶層(5)位於兩片基板(2，3)之間，第一基板(2)具有一第一表面(7)，第二基板(3)具有一第二表面(8)，其中第一表面(7)的作用是使鄰近第一表面(7)的液晶分子(6)定向於一基本上與第一表面(7)平行的方向，第二表面(8)的作用是使鄰近第二表面(8)的液晶分子(6)定向於一基本上與第二表面(8)垂直的方向，其中可控制電極配置(4)，以便能夠在一大約180度的角度範圍內調整液晶分子方向的平面分量，例如以一可事先給定的中間方向為準，在+90度及-90度的角度範圍內調整。
  2. 如申請專利範圍第1項的相位調變器，其中與相位調變器(1)交互作用之光線會因為繞射的關係，被偏轉至一可事先給定的方向，因而實現一偏轉光柵的功能。
  3. 如申請專利範圍第2項的相位調變器，其中可以控制電極配置(4)，以根據光束照射在相位調變器(1)的空間位置將光線偏轉到一可事先給定的可改變的方向。
  4. 如申請專利範圍第1項的相位調變器，其中相位調變器(1)具有單一的像素，而且相位調變器(1)的每一個像素至少具有電極配置(4)的兩個電極。
  5. 如申請專利範圍第4項的相位調變器，其中可以控制電極配置(4)，以便在一像素的範圍形成一基本上固定的電壓梯度。
  6. 如申請專利範圍第4項的相位調變器，其中可以控制電極配置(4)，以便在兩個相鄰電極之間形成一基本上固定的電壓差。
  7. 如申請專利範圍第1項的相位調變器，其中在一像素內設有多個梳形配置的電極，透過這些電極可以產生一超越像素的一致的平面電壓梯度。
  8. 如申請專利範圍第1項的相位調變器，其中該相位調變器係透射式或反射式的相位調變器。
  9. 如申請專利範圍第1項的相位調變器，其中一個基板的一個表面帶有一結構化表面塗層，該結構化表面塗層具有第一及第二結構化區域，其中第一及第二結構化區域彼此相鄰，而且是位於兩個相鄰的電極之間，其中與第一結構化區域接觸之液晶基本上是反向平行於與第二結構化區域接觸之液晶。
  10. 如申請專利範圍第1項的相位調變器，其中被寫入相位調變器的一個畫面的相位值與下一個被寫入相位調變器的一個畫面的相位值相差一相位偏移，因而使相鄰的平面電極之間的電壓差發生改變。
  11. 如申請專利範圍第1項的相位調變器，其中連續畫面之施加在電極上的電壓有一(正負)符號變換，並具有一偏振接通元件，該偏振元件能夠是為下一個畫面將與相位調變器交互作用的光線帶到第一偏振狀態，以及為再下一個畫面將與相位調變器交互作用的光線帶到第二偏振狀態。
  12. 一種顯示二維及/或三維影像內容的顯示器，包括一個具有至少一個光源的照明裝置，以及一個如申請專利範圍第1項至第11項中任一項的相位調變器，其中在光傳播方向上，相位調變器係位於照明裝置之後。
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