專利名稱：采用線柵偏振分束器與補償器的投影顯示器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及采用液晶器件來形成圖像的數字投影設備，更具體地說，涉及通過利用與液晶顯示器(LCD)組合的稍微旋轉的線柵偏振分束器和使像素黑色(OFF)狀態(tài)的漏光減至最小的偏振補償器來獲得高對比度的設備和方法。
數字影院投影的最有前景的解決方案采用兩類空間光調制器之一作為圖像形成器件。第一類空間光調制器是由Texas Instruments，Inc.，Dallas，TX開發(fā)的數字微鏡器件(DMD)。DMD器件在多個專利中都有描述，其中包括例如美國專利4441791和5600383(均授予Hornbeck)。在大量專利中公開了采用DMD的投影設備的光學設計，這些專利包括美國專利5914818(Tejada等人)和6089717(Iwai)。雖然基于DMD的投影機證明了提供必要的光通過量、對比度以及色域的能力，但是目前的分辨率限制(1024×768像素)以及高的部件和系統成本已經限制了DMD用于高質量數字影院投影的可接受性。
第二類用于數字投影的空間光調制器是液晶器件(LCD)。LCD通過選擇性地調制用于每個相應像素的入射光的偏振態(tài)，以像素陣列的形式形成圖像。在高分辨率下，大面積LCD可以比DMD更容易制造。LCD是用于數字影院投影系統中的可行的替代調制器技術。在美國專利5808795(Shimomura等人)和5918961(Ueda)中公開了一些采用LCD空間光調制器的電子投影設備的實例。若干年前，JVC證明了基于LCD的投影機能夠具有高分辨率(提供2000×1280像素)、高幀順序對比度(超過1000∶1)以及高的光通過量(標稱最大為12000流明)。這種系統利用由陰極射線管(CRT)驅動或尋址的三個垂直取向(VA)(也稱為同向扭曲)LCD(每種顏色一個)。雖然這種系統證明了基于LCD的數字影院投影機的潛力，但是，系統復雜性和整體可靠性仍然受到關注。此外，該特定典型系統具有高的部件成本，這使其難以在數字影院投影市場上廣泛推廣。
JVC還開發(fā)了一種新的垂直取向LCD系列，它們直接經由硅背板(LCOS)尋址，而不是間接由CRT尋址。雖然這些新的器件是有發(fā)展前途的，但是尚未證明它們完全符合對數字影院演示的預期。在美國專利5652667(Kuragane)和5978056(Shintani等人)中部分描述了JVC LCD器件。與大多數扭轉向列或膽甾型LCD相反，垂直取向LCD有望提供高得多的調制對比度(超過2000∶1)。應當指出，為了獲得1000∶1或更高的屏幕幀順序對比度，整個系統必須產生大于1000∶1的對比度，LCD和任何必要的偏振光學器件都必須各自分別提供～2000∶1對比度。值得注意的是，雖然偏振補償后的垂直取向LCD在調制準直激光束時可以提供大于20000∶1的對比度，但是這些相同的調制器在調制相同的準直激光束時，如果不經過適當的偏振補償，則只可以呈現出500∶1或者更小的對比度。調制對比度也取決于頻譜帶寬和入射光的角寬度(F#)，對比度一般隨著帶寬增大或F#減小而降低。LCD內的調制對比度還可能由于殘留去偏振或者錯定向偏振效應、比如熱引入應力雙折射而降低。這種效應可以在器件的遠場中觀察到，其中理想觀察的“鐵十字”偏振對比度圖案呈現出退化圖案。
如數字投影領域的技術人員顯而易見的，基于LCD的電子投影系統所提供的光學性能大部分是由LCD本身的特性和支持LCD投影的偏振光學器件來定義的。偏振分離光學器件、如偏振分束器、預偏振器以及偏振器/檢偏器部件的性能對于獲得高對比度尤為重要。這些偏振光學部件在投影顯示器的調制光學系統內組合的確切方式也可對最終得到的對比度產生明顯影響。
用在許多投影系統中的最常見的常規(guī)偏振分束器方案是美國專利2403731中公開的傳統MacNeille棱鏡。這種器件已經證明可以提供好的消光比(大約為300∶1)。但是，這種標準棱鏡僅對處于有限角度范圍(幾度)的入射光良好地起作用。由于MacNeille棱鏡設計僅為一種偏振態(tài)提供了好的消光比，若入射光來自非偏振的白光源、比如來自氙或金屬鹵化物電弧燈，則采用這種器件的設計必須有效地放棄一半入射光。
基于MacNeille設計的常規(guī)玻璃偏振分束器設計具有除有限角度響應之外的其它局限，包括制造或熱引入的應力雙折射。這些可能使偏振對比度性能降低的效應可能對于中程電子投影應用是可接受的，但是對于影院投影應用是不容許的。熱應力問題通過使用如美國專利5969861(Ueda等人)中所公開的更適當的低光彈性光學玻璃已得到改善，這是特別為用于偏振部件而設計的。遺憾的是，高制造成本和不確定的可用性限制了這種方案的應用。作為這些問題的結果，基于常規(guī)MacNeille的玻璃分束器設計為低到中程電子投影系統工作，在500-5000流明下工作，具有大約800∶1的對比度，達不到數字影院投影的要求。
已經提出了其它偏振分束器技術來滿足基于LCD的數字影院投影系統的要求。例如，美國專利5912762(Li等人)中公開的分束器具有超過2000∶1的理論透射和反射消光比。這種棱鏡提供通過六LCD系統使用兩種偏振的可能，從而提高了系統光效率。但是，尺寸限制和極為嚴格的涂層容限嚴重妨礙了采用這種分束器設計的投影設備的商業(yè)化。
或者，液體填充的分束器[例如，參見美國專利5844722(Stephens)]已經證明提供高對比度應用所需的高消光比，并且具有在高強度光條件下的一些優(yōu)點。但是，這些器件具有若干操作問題，包括溫度敏感性、制造成本高以及必須制造得無塵或不含氣泡。泄漏風險為這些器件提出了另一潛在缺點。
線柵偏振器已經出現了許多年，主要用于射頻和遠紅外光學應用。把線柵偏振器用于可見光譜的光是有限的，主要是因為器件性能或制造的約束。例如，美國專利5383053(Hegg等人)公開了線柵分束器在虛擬圖像顯示設備中的應用，它具有高的光效率，但是對比度很低(6.3∶1)。美國專利5748368(Tamada)中公開了第二種用于可見光譜的線柵偏振器。雖然Tamada討論的器件提供了偏振分離，但是對比度對于影院投影是不夠的，設計必然局限于相當窄的波段。
最近，如美國專利6122103(Perkins等人)、6243199(Hansen等人)以及6288840(Perkins等人)中所公開的，已經開發(fā)了高質量的線柵偏振器和分束器以廣泛用于可見光譜。這些新器件從Orem，UT的Moxtek Inc.可以買到。雖然現有的線柵偏振器，包括美國專利6122103和6243199中描述的器件，可能無法呈現獲得數字影院投影所要求的高對比度所必需的性能特點，但是這些器件的確具有許多優(yōu)點。當與標準偏振器相比時，線柵偏振器件呈現出相對較高的消光比和效率。此外，這些線柵器件的對比度性能還具有較廣的接受角(數值孔徑NA)以及更健壯的熱性能，它比標準偏振器件熱引入應力雙折射的機會更小。此外，線柵偏振器相對于惡劣的環(huán)境條件如光強度、溫度和振動等是健壯的。雖然一般這些市場上可以買到的線柵器件在可見光譜上工作得很好，但是偏振響應中固有的藍衰退可意味著藍通道可能需要額外的對比度增強來匹配紅和綠，以便用于要求高的應用。
線柵偏振分束器(PBS)器件已經運用于一些數字投影設備中。例如，美國專利6243199(Hansen等人)公開了寬帶線柵偏振分束器在投影顯示應用中的使用。美國專利6234634(也授予Hansen等人)公開了一種同時用作數字圖像投影系統中的偏振器和檢偏器的線柵偏振分束器。美國專利6234634陳述了利用線柵PBS可以獲得極低的有效F#，雖然對比度有一些損失。顯然，美國專利6234634未討論如何可以提升線柵偏振器的角度響應，也未討論如何可以把偏振補償與線柵器件和LCD結合使用，以減少光泄漏并提高對比度，特別是對于在低F#下工作的快速光學系統。
特別要關注并且與本發(fā)明的設備和方法相關的是，必須強調線柵偏振器或者線柵偏振分束器都不能單獨地提供獲得1000∶1或更高的期望投影系統幀順序對比度所需的目標偏振消光比性能(標稱＞2000∶1)，特別是在小F#(＜F/3.5)的情況下。最好是，這些部件都在最佳條件下提供小于1200∶1的對比度。重要的是，該性能在藍光譜中進一步衰退。因此，為了使系統的光學部分(除LCD之外)獲得期望的2000∶1對比度目標，必須利用各種各樣的偏振器件、可能包括線柵偏振器件，與投影顯示的調制光學系統組合。但是，不論是對一般的電子投影，還是專門對數字影院投影，設計與LCD、彩色光學器件以及投影透鏡組合的包括線柵偏振器和偏振補償器的偏振光學器件的最佳配置的問題尚未完全解決。此外，先有技術未說明如何為采用LCD和線柵器件的投影顯示器設計調制光學系統，它還具有偏振補償器以提高對比度。
現有大量的為普遍提高LCD、特別是垂直取向LCD的偏振性能而開發(fā)的偏振補償器的實例。在最佳系統中，補償器是同時為提高組合的LCD和偏振光學器件的性能而設計的。這些補償器通常提供角度改變的雙折射，以空間上變化的方式構造，影響發(fā)送光束的(一定空間和角度區(qū)域內)部分中的偏振態(tài)，而不影響光束的其它部分的偏振態(tài)。作為第一示例，美國專利4701028(Clerc等人)公開為具有限定厚度的垂直取向LCD設計的雙折射補償。作為另一示例，美國專利5039185(Uchida等人)公開了一種具有補償器的垂直取向的LCD，其中包括在偏光片/檢偏器對之間設置的至少兩個單軸或兩個雙軸延遲器。此外，美國專利5298199(Hirose等人)公開了校正LCD中的光學雙折射誤差的雙軸薄膜補償器的使用，用于具有正交偏光片的封裝中，其中LCD暗態(tài)具有非零電壓(偏置電壓)。
補償器可以是復合結構，包括一層或多層薄膜、光膠合劑以及其它材料。例如，美國專利5619352(Koch等人)公開了補償器件，可與扭轉向列LCD配合使用，其中補償器具有多層結構，根據需要使用A片、C片和O片的組合。
還可以設計偏振補償器，它同時對組合的垂直取向LCD和偏振光學器件進行校正。前面講述的這些先有技術的補償器專利中的大多數假定LCD與偏光片組合使用，并且僅對LCD偏振誤差進行校正。但是，已經明確地開發(fā)了偏振補償器來校正來自傳統Polaroid類型的染色偏光片的不均勻偏振誤差。由E.H.Land在1929年開發(fā)的染色偏光片通過光的二向色性或者偏振選擇性各向異性吸收來起作用。用于染色偏光片的補償器在Chen等人的文章中有描述(J.Chen，K.-H.Kim，J.-J.Kyu，J.H.Souk，J.R.Kelly，P.J.Bos，“用于TN和VA LCD的最佳薄膜補償模式”SID 98 Digest，第315-318頁)，并且使用組合A片和C片構造。類似地，美國專利5576854(Schmidt等人)公開了一種為用于采用LCD與常規(guī)MacNeille棱鏡型偏振分束器的投影設備中而構造的補償器。這種補償器包括用于補償棱鏡的1/4波片以及用于固有的LCD殘留雙折射效應的額外0.02λ補償。
雖然此先有技術資料廣泛地詳細說明了在各種條件下使用的偏振補償器的設計，但是在先有技術中未公開明確開發(fā)并且為與線柵偏振器和垂直取向LCD配合使用而優(yōu)化的補償器。為了獲得高亮度級別，光學系統最好是具有高數值孔徑(＞～0.13)，使得它能夠在更大的偏斜角上收集入射光。維持高亮度和高對比度的相互矛盾的目標為偏振元件提出了重大的設計難題。OFF狀態(tài)的光泄露必須最小，以便得到高的對比度級別。然而，對于得到高亮度所需的偏斜角上的入射光，光泄漏是最明顯的。
但是，如序列號為10/040663的共同轉讓共同未決的美國專利申請中所公開的，為線柵偏振器和偏振分束器已經開發(fā)并優(yōu)化了偏振補償器。具體來講，該申請描述了為線柵器件設計的補償器以及為還與垂直取向的LCD和用于垂直取向的LCD的補償器配合工作的線柵器件而設計的補償器。已經證明，包括線柵偏振器、線柵偏振分束器、垂直取向的LCD以及定制的偏振補償器的調制光學系統可以在大的入射角范圍(小F)上提供超過1000∶1目標的偏振對比度。
但是，這種系統中使用的偏振補償器的制造可能較為困難，因為隨補償器設計而定，需要延遲的特定值和取向，并且從現有材料的組合中裝配。通常，這些材料是薄膜片、如聚碳酸酯或乙酸鹽，其光延遲取塊于材料屬性和薄膜制造方法。然后可以通過把這些薄膜的適當組合堆疊在玻片之間，同時插入光膠合劑層以提供光學指數匹配，從而組裝補償器。組裝的補償器必須沒有灰塵和氣泡，并且在大的熱(光)負荷的情況下提供一貫的空間上一致的延遲量?；蛘?，具有標稱目標延遲量的補償層可以直接旋涂在玻璃襯底上，從而潛在地簡化補償器器件的構造。但是，需要具有不同屬性的多個延遲層的補償器的構造仍然是困難的。此外，校正固有的殘留雙折射所需的最佳延遲量(比如先前提到的0.02λ)可能在不同器件之間明顯不同。理論上，但很可能不實際，這意味著，為了使各個器件的對比度最大化需要通過適當優(yōu)化的補償器來匹配各LCD。
簡要地說，根據本發(fā)明的一個方面，一種顯示設備包括用于形成光束的光源。預偏振器使光束偏振以提供偏振光束。線柵偏振分束器接收偏振光束并且透射具有第一偏振的偏振光束和反射具有第二偏振的偏振光束。反射空間光調制器選擇性地調制具有第一偏振的偏振光束以在其上進行圖像數據編碼，以便形成調制光束，并將調制光束反射回線柵偏振分束器。補償器位于線柵偏振分束器與反射空間光調制器之間，用于調整調制光束的斜射光和不交軸光。線柵偏振分束器反射補償后的調制光束并且在平面內旋轉線柵偏振分束器以優(yōu)化對比度。檢偏器從補償后的調制光束中去除相反偏振態(tài)的殘留光。圖像形成光學器件從補償后的調制光束形成圖像。
在以下提供的最佳實施例的詳細描述中，本發(fā)明及其目的和優(yōu)點將變得更加明顯。
圖4是說明在各種偏振補償情況下測量的、同時包括線柵偏振分束器和LCD的調制光學系統的對比度與F#之間關系的一系列曲線；圖5a說明入射光相對于調制光學系統中的線柵偏振分束器和LCD的幾何關系，說明了偏振態(tài)以及局部光束幾何關系；圖5b說明通常入射光相對于正交偏振器的偏振態(tài)的幾何關系；圖6a和6b說明沒有偏振補償的正交線柵偏振器的角度響應；圖7a-7e說明偏振補償器的可能的軸取向和構造；以及圖8表示的是剖視圖，說明包括線柵偏振分束器的另一種調制光學系統。
參照

圖1，以簡要形式表示出數字投影設備10中的光學部件的配置，如序列號為09/813207的共同轉讓共同未決的美國專利申請中所述。照明光學器件20和預偏振器45預先調節(jié)來自光源15的光，從而提供基本上均勻并且經過偏振的照明。照明光學器件20包括均勻化光學器件、如積分條或蠅眼積分器組件，以及聚光轉象光學器件組件。隨后預偏振器45使這束光偏振，所需偏振態(tài)的光被引向偏振分束器，而舍棄的另一偏振態(tài)的光名義上向光源反射回去。預偏振器45是調制光學系統40的一部分，該系統還包括線柵偏振分束器50、偏振變更空間光調制器55以及檢偏器60。名義上，線柵偏振分束器50透射具有優(yōu)選偏振態(tài)的入射光，而把其余具有另一偏振態(tài)的入射光反射出系統。入射光由名義上為液晶顯示器(LCD)的空間光調制器55進行調制，從而把二維圖像編碼到光上，然后作為調制光束反射。線柵偏振分束器50反射調制光束中具有一種偏振態(tài)的光，并透射具有另一偏振態(tài)的光。然后，投影光學器件70把反射的調制光束引導到顯示表面75，顯示表面名義上為投影屏。通常，光源15發(fā)出的可見光被分成三個顏色通道(紅、綠、藍)，其中每個通道中的光與其自己的調制光學系統40交互作用，該系統40中包括其自己的空間光調制器55。這些通道可以由重組棱鏡65重新組合，以便投影到顯示表面75上。
數字投影設備10和調制光學系統40的設計都可以從這些系統中使用的線柵偏振器的屬性的進一步討論中得到更好的理解。圖2說明基本的先有技術的線柵偏振器并且定義先有技術和本發(fā)明的一系列說明示例中使用的術語。線柵偏振器100包括由介質襯底120支撐的許多平行導電元件(導線)110和溝槽115。該器件的特征在于導體的柵線間距或節(jié)距或周期，標為(p)；各個導體的寬度，標為(w)；導體的厚度，標為(t)。線柵偏振器采用子波長結構，使得節(jié)距(p)、導體或導線寬度(w)以及導體或導線厚度(t)都小于入射光的波長(λ)。雖然導線厚度(t)實際上可以超過波長，但是對于大多數設計并非如此。光源132所產生的光束130與法線成θ角入射到線柵偏振器100上，入射面垂直于導電元件。線柵偏振器100把此光束分成鏡面無衍射出射光束；反射光束140和透射光束150。所用的S和P偏振的定義是S偏振光是其偏振矢量平行于導電元件的光，而P偏振光的偏振矢量垂直于導電元件。一般，線柵偏振器將反射其電場矢量平行(“S”偏振)于線柵的光，并且透射其電場矢量垂直(“P”偏振)于線柵的光。線柵偏振器100是一種有些特殊的偏振器件，因為它在透射中是E型偏振器(透射非常光線)并且在反射中是O型偏振器(反射尋常光線)。
當這種器件用于垂直入射(θ＝0度)時，反射光束140通常被改變方向發(fā)往光源132，并且該器件稱為偏振器。但是，當這種器件用于非垂直入射時(通常30°＜θ＜60°)，照射光束130、反射光束140以及透射光束150沿不同的可分離路徑，并且該器件稱為偏振分束器。線柵器件的有關導線節(jié)距(p)、導線寬度(w)、導線占空度(w/p)以及導線厚度(t)的詳細設計可以針對用作偏振器或偏振分束器而進行不同的優(yōu)化。應當理解，數字投影設備10和調制光學系統40當采用偏振修改空間光調制器來設計時，都可以使用不同于線柵型器件的檢偏器和偏振分束器。例如，偏振分束器可以是MacNeille型玻璃棱鏡，或者偏振器可以是任何基于染料/聚合物的偏光片。但是，對于本討論，偏振分束器50、預偏振器45以及檢偏器60都統統假定為線柵器件，但是這不是所有投影機配置都要求的。
圖3中說明如調制光學系統200中所用的這些偏振器的最佳空間關系。調制光學系統200是圖1的調制光學系統40的擴展和更詳細形式。前面提到的序列號為09/813207的共同轉讓共同未決的美國專利申請中描述了調制光學系統200的基本結構和操作。作為電子投影系統(或打印機系統)的組成部分的調制光學系統200包括入射照明光束220，它被聚光器225聚焦并穿過預偏振器230、線柵偏振分束器240以及補償器260，并且到達空間光調制器210(LCD)上。調制后的圖像承載光束290從空間光調制器210的表面反射并通過補償器260透射，從線柵偏振分束器240反射出來，然后通過檢偏器270透射。在離開調制光學系統200之后，調制圖像承載光束290沿著光軸275并且透過重組棱鏡280和投影透鏡285，從而到達屏幕(或者到達光敏介質)。再次假定預偏振器230和檢偏器270都是線柵偏振器件。全色投影系統對每種顏色(紅、綠、藍)采用一種調制光學系統200，通過重組棱鏡280來重新組合顏色光束?？砂ㄈ舾赏哥R元件的聚光器225是更大規(guī)模照明系統的一部分，它將光源的光轉換成矩形區(qū)域的名義上均勻的光，該光名義上充滿空間光調制器210的有效區(qū)域。
在利用先有技術的線柵偏振分束器的調制光學系統200中，線柵偏振分束器240由一面上帶有子波長導線250(導線的比例被極度夸大)的介質襯底245構成。設置線柵偏振分束器240以反射到投影透鏡系統285中，從而避免通過傾斜的片透射而引入的像散性和彗差。更簡單的是，補償器260是提供補償幾何缺陷和在空間光調制器210表面產生的雙折射效應所需要的少量延遲的波片。例如，如美國專利5576854(Schmidt等人)中所討論的，補償器260可以提供0.02λ的延遲(A-片)，以便校正由LCD偏振層的殘留幾何缺陷導致的偏振誤差以及LCD封裝內的反電極襯底內的殘留熱引入雙折射。在與數字影院相比要求不高的應用中，補償器260可以是可選的。
如數字影院所用的調制光學系統200的構造是由系統規(guī)范和可用線柵偏振器件的限制來定義的。具體地說，數字影院要求電子投影機提供高的幀順序制對比度(1000∶1或更高)。為了實現這一點，除調制光學系統200的空間光調制器210(LCD)之外的偏振光學部件必須提供2000∶1的總光學系統對比度(Cs)。偏振光學器件的實際目標對比度當然取決于LCD的性能。因此，如果LCD僅提供1500∶1的對比度，則偏振光學器件必須提供3000∶1的對比度。對于數字影院，具有垂直取向(VA)分子的LCD是優(yōu)選的，因為它們具有高的固有對比度。值得注意的是，LCD和偏振光學器件的對比度性能通常會隨著入射光束的數值孔徑增大而減小。遺憾的是，在現有技術水平下，僅使用單個線柵偏振分束器240本身以便滿足偏振光學器件的2000∶1的目標對比度是不夠的。為此，調制光學系統200還采用線柵預偏振器230和線柵檢偏器270來提供目標偏振性能。
調制光學系統200的構造和操作可以聯系其偏振性能來更詳細地理解。最好是，預偏振器230這樣定向，以便讓“P”偏振光透射到調制光學系統中。線柵偏振分束器240這樣定向，使其子波長導線圖案名義上定向平行于偏振器230的子波長導線(也就是說，兩種器件不交叉)。因此，透射的“P”光通過從線柵偏振分束器240中透射而得到進一步修改(增加了對比度)。然后，透射光束穿過補償器260，碰到名義上為反射LCD的空間光調制器210，它根據施加的電壓逐個像素地修改入射光的偏振態(tài)。白與黑之間的中間代碼值減小了“On”狀態(tài)的數量，增大了“Off”狀態(tài)光的數量?！癘n”狀態(tài)光具有旋轉的偏振，相對于線柵偏振分束器240處于“S”偏振態(tài)。因此，“S”狀態(tài)光從線柵偏振分束器240反射出來，隨后透過檢偏器270，并且通過投影透鏡285引到屏幕。調制光學系統200的整體對比度(Cs)(忽略LCD和補償器的貢獻)可以大致表示為1/Cs＝1/(CT1*CT2)+1/(CR2*CT3)其中CT1是線柵預偏振器230的透射對比度，CT2和CR2是線柵偏振分束器240的透射和反射對比度，而CT3是線柵檢偏器270的透射對比度。在此系統中，整體對比度主要由離開線柵偏振分束器240的“S”偏振態(tài)光的低反射對比度CR2決定。檢偏器對比度CT3需要相當高以補償低CR2值(～30∶1)。而透射對比度CT1和CT2不必特別高，只要相應的對比度值在整個光譜上是適度均勻的。檢偏器270這樣定向，使得從線柵偏振分束器240反射并且相對于線柵偏振分束器240具有“S”偏振的“On”狀態(tài)光相對于檢偏器自身結構來看此光為“P”狀態(tài)光。因此，檢偏器270去除伴隨所需“On”狀態(tài)光束的任何其它偏振泄漏光。例如，對于在550nm的綠光，線柵偏振分束器240和線柵預偏振器230的組合提供僅25∶1的屏幕上幀順序光對比度。但是，當這些偏振器通過線柵檢偏器270來補足時，理論上整體系統對比度Cs被提升到～2900∶1。
調制光學系統200最佳構造中線柵偏振分束器240是這樣定向的帶有子波長導線250的表面朝著空間光調制器210，而不是朝著照明光學器件(聚光器225)以及光源(見圖3)。雖然當采用這種定向時，整體對比度(Cs)為～2900∶1，但是，當采用另一種定向(表面上的導線朝著光源)時，凈對比度急劇降低到～250∶1。(注意在此測試中，空間光調制器210(LCD)被鏡子和四分之一波片代替)。這種對比度的下跌是由玻璃襯底中的應力雙折射造成的，這可能歸咎于玻璃本身的先天質量或者光吸收中熱引入應力雙折射。在最佳定向中，玻璃襯底245布置成子波長導線250朝著空間光調制器210，調制圖像承載光束290被導線反射而不會碰到襯底以及其內的任何應力雙折射，從而維持高對比度。當線柵偏振分束器240的子波長導線250“垂直”(如圖所示，“進入頁面”)而不是“水平”(在頁面的平面內)定向時，調制光學系統200還提供最高對比度和光效率。
為了構建數字影院投影機，在照亮35-55英尺寬屏幕、同時處理各種光學器件、線柵器件以及LCD的限制的系統中，必須同時使亮度(10000-15000流明)和對比度(1000∶1+)最大。通過增加在線柵偏振分束器和LCD入射的光的接受角(數值孔徑)，可以使亮度最大。建模建議基于LCD的數字影院投影機需要在低于F/3.0下工作，以便滿足屏幕亮度目標，F/2.0到F/2.3的系統速度是潛在要求的。但是，入射在線柵偏振分束器上的源光的角越寬，會增加從其它偏振態(tài)的泄漏光，從而降低可用對比度。測量表明，若組裝系統時不用偏振補償器，調制光學系統200(包括線柵預偏振器230、線柵偏振分束器240、VALCD以及線柵檢偏器270)的對比度在～F/2.3僅為～500∶1。
具體來講，如圖4所示，其中畫出未經補償的系統對比度300對F#的曲線，對于采用作為空間光調制器210的VA LCD、但未采用補償器260組裝的調制光學系統200，在F/2.3測得的對比度僅有～490∶1。此外，采用這一特定VA LCD(器件“A”)測量的未經補償的系統對比度300在F/10仍然是低的(僅有～630∶1)。
雖然調制光學系統200內的大量因素可能降低偏振對比度，但是，這種對比度損失可以若干方式來證明。圖6a說明正交偏振器的偏振對比度分布，在角空間中可見的是ISO對比度曲線，稱為“鐵十字”。鐵十字圖案320表明在平行于和垂直于檢偏器的線柵的方向上的峰值消光，并且在四個軸外象限中對于不交軸光線和斜射線的減小消光。由于與大多數現有偏振器相比、線柵偏振分束器具有優(yōu)良的角性能，所以這些器件一般視為沒有不交軸光線問題，因此不需要另外的偏振補償。部分原因是，線柵偏振分束器在反射中起到O型偏振器的作用，而在透射中起到E型偏振器的作用，因此當同時用于調制光學系統200中的透射和反射時是部分自我補償的。
圖6a的“鐵十字”圖解說明還表示如通過正交偏振器所看到的理想VA LCD的標稱偏振響應，假定它相對于分子排列具有與垂直之間可忽略的內傾角。遺憾的是，對比度還可能由于VA-LCD內諸如大的傾角、OFF狀態(tài)偏置電壓、熱引入應力以及大入射角(大的NA)等各種微妙影響而降低。這些影響可能導致對比度普遍降低而鐵十字圖案320仍保持，或者導致鐵十字圖案320變形成另一消光圖案(如圖6b所示的“棒球”圖案325)。例如，VA-LCD內的僅3-4nm的殘留XY延遲會導致器件輸出棒球圖案325而不是鐵十字圖案320。隨著ISO對比度偏離鐵十字圖案越來越遠，總的綜合對比度通常也會下降。源自線柵偏振分束器240、源自諸如導線表面定向、導線旋轉以及大入射角之類的影響的對比度降低也可能以類似方式使鐵十字圖案320退化。
這可以通過考慮偏振光怎樣穿過調制光學系統200來更好地理解。圖5a是透視圖，表示關于一部分LCD 210，由調制光學系統內的線柵偏振分束器240反射和從中透射的光的光偏振態(tài)。預偏振的光束350從線柵偏振分束器240中透射。如圖5a所示，透射光束355的電場偏振是在垂直于線柵偏振分束器240的線柵的矢量上。從LCD210上的像素反射返回調制光束360，其中“S”偏振光是圖像數據，“P”偏振光被丟棄。理想情況下，線柵偏振分束器240透射100％的不想要的“p”光作為調制透射光370。但是，少量泄漏光365從線柵偏振分束器240反射并且伴隨“s”調制光束360，導致對比度降低(“s”與“p”之比)。通過線柵檢偏器270進一步減小泄漏光365的量。相對于調制光束360，線柵分束器在透射中起到預偏振器的作用，在反射中起到檢偏器的作用，在某種意義上包括典型正交偏振器配置。
雖然同軸準直光確實出現偏振對比度的一些損失，但是對于斜射線和不交軸光線，這些效果更加驚人。為了更好地理解這一點，圖5a包括入射在線柵偏振分束器240的45°傾斜面上的大NA非鏡面光束的光束幾何結構的說明，而圖5b表示垂直于表面(諸如LCD 210、預偏振器230或檢偏器270)入射的類似非鏡面光束的幾何結構。對于垂直入射情況，進來的光束由0-180°方位角擺動來描述，而角的極角擺動是有限的(對于F/2.0是0-15°)。斜射線是那些落在由正交偏振器定義的軸(方位角0°和180°，90°和270°)外的四個象限中的射線，處于包含局部光軸275的平面中。不交軸光線是處于不包含局部光軸275的面中的射線。對于入射到45°傾斜面的情況，進來的光線還是由0-180°的方位角擺動來定義，而角的極角擺動包括相對于光軸～0-15°，或者相對于線柵表面～30-60°的擺動，這些斜射線和不交軸光線就是鐵十字圖案320的四象限中觀察到的減小對比度的原因。例如，沿著軸的峰值對比度可超過1000∶1，而與相交的坐標軸偏離45度的四象限中的對比度下降至300∶1或更小。
如上所述，部分地包括線柵預偏振器230、線柵偏振分束器240、垂直取向LCD 210以及線柵檢偏器270的調制光學系統200名義上在F/2.3僅提供綠色中的～500∶1的對比度，這低于技術規(guī)范。但是，作為一種解決方案，通過使用適當的補償器，可以提高該系統對比度以符合或超過技術規(guī)范。
補償器和偏振器是由具有多個折射率的雙折射材料來構造的。相比之下，各向同性介質(如玻璃)具有單一的折射率，而單軸介質(如液晶)具有兩個折射率。光學材料可以具有多達三個主折射率。具有全部三個不同折射率的材料稱為雙軸的，并且由其主折射率nx0、ny0、nz0來唯一指定，三個定向角如圖7a所示。圖7b表示具有分別與x、y、z軸對準的nx0、ny0、nz0軸的雙軸薄膜。具有兩個相等的主折射率的材料稱為單軸材料(見圖7c)。這兩個相等的折射率是尋常折射率，表示為no。其它不同的折射率稱為非常折射率ne。ne的軸也稱為補償器光軸。單軸材料由ne、no以及描述補償器光軸的定向的兩個角來唯一地表征。當全部的三個主折射率相等時，材料稱為各向同性的。
光在穿過單軸或雙軸材料時，接受隨其電場偏振方向而改變的有效折射率，因此，在電場的兩種本征模式之間引入相差(Δφ)。這個相差隨著光的傳播方向而改變，所以當單軸或雙軸材料放在兩個正交偏振器之間時，光的傳輸隨角度而改變。對于按照并非沿著光軸或平行于光軸的路徑傳播的光線，這些相差Δφ轉換成局部偏振取向的修改。具體來講，補償器一般修改或調節(jié)處于大的極角的光線的局部偏振取向，這些光線還同時包括斜射線和不交軸光線。液晶材料通常是單軸材料。當它如在液晶顯示器中一樣夾在兩個襯底之間時，它的光軸一般在厚度方向上變化，隨其在襯底上的固定和施加在該厚度上的電壓而定。
補償器通過一個或多個單軸和/或雙軸薄膜來構造，這些薄膜被設計成引入確度相關的相差，以便抵消由液晶或其它光學器件引入的角度相關的相差。如本領域中眾所周知的，光軸平行于薄膜面的單軸薄膜稱為A-片，如圖7c所示，而光軸垂直于薄膜面的單軸薄膜稱為C-片，如圖7d所示?；蛘?，A-片可描述為在補償器面中提供XY雙折射(具有XY延遲的各向異性介質)，而C-片在光束傳播方向上沿光軸提供Z雙折射。ne大于no的單軸材料稱為正雙折射。類似地，ne小于no的單軸材料稱為負雙折射。A-片和C-片都可以是正或負的，隨其ne和no而定。更復雜的多層補償器400具有在其厚度方向上改變的光軸或三個主折射率軸，如圖7e所示，其中補償薄膜的堆疊(雙折射層410a、410b、410c)與襯底420一起使用，組成完整的補償器。堆疊補償的詳細討論可見于美國專利5619352(Koch等人)。如本領域中眾所周知的，C-片可以通過使用單軸壓縮的聚合物或者鑄造醋酸纖維來制造，而A-片可以通過拉伸的聚合物薄膜、如聚乙烯醇或聚碳酸酯來制造。
如序列號為10/040663的共同轉讓共同未決的美國專利申請中所討論的，偏振補償器可以專門設計，以便同時提高線柵偏振器和線柵偏振分束器的偏振角度響應。如該申請中所討論的，利用嚴格耦合的波分析(RCWA)方法，典型可見波長線柵偏振器的建模表明光透射對角度的明顯增大。這些線柵偏振器以鋁線結構來建立模型，所述鋁線結構淀積在康寧玻璃1737F上，線節(jié)距為144nm(～λ/4)，線占空度為0.45，線高度為130nm。在綠波段(550nm)，在20度(F/1.5)和45度方位角(對應于圖6a的鐵十字圖案320的軸外象限)的透射是其在0度的極角下的2.5倍。在甚至更大的極角(40度)下，透射(泄漏光)可能是它在軸上時的～10倍。由于對于正交偏振器對比度大致與透射成反比，透射光的這種增加(光泄漏)可能導致系統對比度的巨大變化。
如序列號為10/040663的美國專利申請中進一步討論的，典型偏振補償器被設計成同時提高十字形線柵偏振器(圖3的預偏振器230和檢偏器270)和線柵偏振分束器240的性能。具體來講，典型偏振補償器被設計成使取向在45°的線柵偏振分束器240的組合透射性能對角度優(yōu)化。一種這樣的補償器被設計成兩個特定雙折射薄膜、即+90nm的A-片和+320nm的C-片的組合。通過這種補償器，與未經補償的線柵偏振分束器相比，在45度的方位角的Off狀態(tài)的光的透射(泄漏光)在從15°到30°的大極角范圍上被減小2倍或更多。同時，軸上透射不受影響(不退化)，因為補償和未補償的值仍然是相同的。利用這種補償器有效地改變圖6a的鐵十字圖案320，使其在更大的角度范圍上是“黑”(高對比度光消光)。
在該典型補償器的分層結構中，A-片最好是比C-片更接近線柵偏振分束器，C-片更接近LCD。A-片的光軸平行于相鄰偏振器的透射軸(垂直于線)。這種補償器由圖3的調制光學系統200中的補償器260來表示，并且位于線柵偏振分束器240和液晶空間光調制器210之間。這是調制光學系統200內的這種補償器的唯一可接受位置。
應當理解，補償器，無論是用于線柵偏振器，還是用于線柵偏振分束器，都可以用任意種方式來設計。例如，單個雙軸薄膜可用來代替A-片和C-片的組合。類似地，補償器可以按照相反順序來設計，在A-片之前遇到C-片。但是，當順序交換之后，所設計的雙折射值很可能改變。還應理解，可以在先前的A-片和C-片補償器設計上添加額外的A-片和/或C-片和/或雙軸薄膜。補償器可以這樣構造，將其雙折射薄膜夾在兩個玻璃襯底之間，并且光學匹配膠合劑或凝膠將這些元件固定在一起。在該情況下，任何玻璃到空氣的面應當用AR涂敷。
類似地，如Mi等人的申請中討論的，通過線柵偏振分束器來看，通過提供改善LCD性能的偏振補償器，可以提高圖3的調制光學系統200的整體對比度性能。這與美國專利5576854(Schmidt等人)的先有技術實例的概念類似，其中描述了一種補償器，它為與MacNeille分束器組合工作的VA LCD進行優(yōu)化。如該專利所公開的，采用0.27λ補償器，其中0.25λ補償MacNeille棱鏡，而0.02λ補償LCD的反電極襯底中的殘留應力雙折射。因此，對于當前的垂直取向LCD與線柵偏振分束器組合的情況，不需要用于補償MacNeille型棱鏡的0.25λ的延遲。但是，以A-片的形式提供的殘留0.02λ的延遲(～11nmXY)可能對于校正VA LCD內的應力雙折射仍然有用，甚至在使用線柵分束器時也是如此。
前面提到的申請(Mi等人)中也考慮了與用于數字影院的調制光學系統200內的VA-LCD配合使用的偏振補償器的設計。其中指出，調制光學系統200把VA LCD放在不尋常的快光學系統(大約＜F/3.0)中。在該情況下，負C-片可用來校正液晶的視角相關性。這種負C-片應當具有與VA-LCD相同的Z延遲量，通?？梢詾椤?60-300nm。因此，在這種情況下，對于與線柵偏振分束器組合用于快光束的反射VA-LCD的最佳補償器包括負C-片(例如-233nm的延遲)和可旋轉的正A-片(例如～11nm的延遲)。
再者，當在OFF狀態(tài)通過正交偏振器觀看理想或接近理想的VA-LCD時，ISO對比度表明與圖6a類似的“鐵十字”圖案320。這種圖案指出沿光軸(球形圖案的中心)、沿平行于或垂直于正交偏振器的透射軸的方向有最小光，但是在四象限中可以預期有泄漏光。但是，對于位于正交偏振器之間的未經補償的理想VA-LCD，在45°方位角下具有F/2.3照明的模擬的偏振消光到僅～3.5°的極角超過～1000∶1。通過比較，采用提高快光束的對比度的適當C-片補償器(-233nm的延遲)模擬的相同VA-LCD被模擬成到超過13°極角具有1000∶1的對比度。對于非理想VA-LCD、比如具有大的殘留XY延遲(例如11nm)的LCD，可以獲得類似改進，當通過正交偏振器來看時，這些LCD本身給出退化的ISO對比度棒球圖案325。當這種LCD與適當設計(例如-233nmC-片和11nm A-片)的偏振補償器配對時，對比度在大的角度范圍上得到明顯提高。
根據偏振補償器、偏振器的設計性能以及給定LCD的特定屬性，可以在遠場中以不同方式呈現出提高的對比度。例如，偏振補償器可以把鐵十字ISO-對比度(如圖6a所示)改變?yōu)椤案凇钡蔫F十字，其中高對比度消光擴展到較高的角，特別是在四個象限中?；蛘撸裱a償器也可以改變ISO-對比度，使其看上去為覆蓋大的角度擺動的名義上圓形的區(qū)域，其中對比度統一為黑的。類似地，提供ISO對比度棒球圖案的采用未補償的LCD的調制光學系統，當使用適當匹配的偏振補償器時，可以提供或者黑的鐵十字或者黑的均勻球形ISO對比度圖案。用于VA-LCD的偏振補償器可以插入圖3的調制光學系統200，剛剛在LCD210之前，如補償器260。
正如也在前面提到的申請(Mi等人)中討論的，用于線柵偏振分束器240和LCD 210的偏振補償器協同定位于這兩個部件之間，并且可以組成一個封裝的補償器裝置(補償器260)。此外，可以使用綜合補償器，它包括單個C-片，其中凈延遲由為VA-LCD補償器和線柵偏振分束器補償器計算的C-片延遲來確定。凈C-片延遲可以較小或較大，隨輸入C-片值的符號(正或負雙折射)而定。在先前的實例中，用于線柵偏振分束器的C-片補償器具有+320nm延遲，而用于VA-LCD的C-片補償器具有-233nm雙折射。因此，當這兩個C-片設計組合時，留下的C-片僅具有～87nm延遲。組合的補償器260則包括用于VA LCD的11nmA-片(0.02λ的補償)，依次用于線柵偏振分束器240的87nmC-片以及90nm A-片，其中11nm A-片最接近LCD210。這兩個A-片不能簡單地組合，因為11nm A-片要求可旋轉，而90nm A-片具有相對于子波長導線250固定的取向?？梢孕D整個或部分的補償器260，以便使對比度或光效率或者兩者優(yōu)化。
再次考慮圖4，對于采用VA-LCD和偏振補償器260測試的調制光學系統200的情況，表示出XYZ補償后的系統對比度450。在此實例中，VA-LCD是用來收集關于未補償的系統對比度300的數據的同一個器件(器件“A”)，補償器260專門由180nm C-片(用于Z)和12nm A-片(用于XY)構成。(注意這種補償器包括僅用于VA-LCD的典型校正延遲，沒有包括用于校正線柵偏振分束器的典型延遲。)如通過比較未補償的系統對比度300與XYZ補償后的系統對比度450可以看出，在F/2.3測量的對比度顯著提高到～1670∶1。此外，對于此器件“A”VA-LCD和補償器組合，從F/23到F/10對比度顯著提高，它在整個范圍上保持在1600∶1以上。
正如可看到的，在先前的申請(Mi等人)中建議的偏振補償器需要相當復雜的結構。無論補償器260的設計是否具有為VA-LCD、線柵偏振分束器或者兩者的組合校正的取向層，這都是事實。補償器的成功制造取決于組成薄膜的材料屬性、所用的層數、層的優(yōu)先取向以及所用的玻璃和膠合劑的屬性。此外，組裝的補償器可以在低亮度級工作，但是無法在高亮度級工作，因為熱負荷增加。這對于高流明投影系統、比如用于數字影院的系統是個問題。此外，還難以可靠地制造非常小的延遲、如所述的與VA-LCD配合使用的11nmA-片延遲。此外，實際上，前面給出的這些目標延遲(如-233nm C片和11nm A片)僅是標稱的，并且最佳延遲值對于不同的器件變化相當大，甚至在名義上完全一樣的器件的一次運行中都不相同。例如，測試三個VA-LCD的小樣本，確定為了使對比度最優(yōu)化，一個器件(器件“A”)需要～11-12nm的XY延遲，另一個(器件“B”)需要僅～2-3nm的XY延遲，第三個器件(“C”)需要大于18nm的XY延遲。這些器件的理想Z延遲也是變化的，雖然只是在較小范圍上變化。與調制光學系統200的制造相比，將特定補償器與特定LCD匹配以便使各器件的對比度性能優(yōu)化，可以證明是不實際的或者成本高得難以接受。
實際上，具有正確XY偏振補償的A-片的出現對于獲得一些LCD所要求的對比度性能是至關重要的。在圖4所示結果中，調制光學系統200的對比度通過以前使用的器件“A”VA-LCD來測量，但是采用含有具有僅～220nm的Z旋轉的C-片的偏振補償器260。在這種情況下，由于未提供該特定VA-LCD需要的～11-12nm的XY延遲，所得的對比度、即僅Z補償的對比度455在F/2到F/10的F#范圍上，在～650∶1或多或少要比未補償的系統對比度300要好。但是，這個結果不如XYZ補償后的系統對比度450那樣好，系統對比度450是在使用具有180nm C-片(Z)和12nm A-片(XY)的典型補償器的同時，通過器件“A”獲得的。通過比較，當前述僅Z補償器與本身具有鐵十字特性(也就是說，只需要一點或者不需要XY延遲補償)的VA-LCD器件“B”配對時，在F/2.3的對比度超過2200∶1。
可以看出，偏振補償器的設計和構造本身是復雜的，而LCD本身中殘留延遲的大的變化使尋求最大化對比度更加復雜。但是，已經證明，線柵偏振器可以在平面中旋轉幾度，可能會提供系統對比度的明顯改善，同時還可能簡化調制光學系統200和補償器260的設計。實際上，這些在先前引用的申請中未詳細說明的旋轉調整提供了隨給定LCD的性能、附帶的補償器260的特定設計、經過調制光學系統200的光的F#以及LCD的工作溫度而變化的對比度提高。參考圖5a，線柵偏振分束器240、線柵檢偏器270以及線柵預偏振器230都可以旋轉幾度，主要目標是提高對比度，同時還使光效率最大。具體來說，線柵偏振分束器的少量角度旋轉(角度(β))引入一些XY延遲，有效地實現通過添加A-片得到的偏振補償的調整。所用實際旋轉通常為～3°到5°，也可以是15°或更多，或者少到1 °到2°，隨測試條件而定。用來增大對比度的線柵偏振分束器240的最佳旋轉量(β)可取決于LCD的溫度，當LC器件在較高溫度下工作時，所需旋轉量通常會減小。因此，確定在預期工作溫度下對于給定LCD所需的最佳補償是重要的。在許多系統中，通過或者加熱或者冷卻可以控制LCD的工作溫度，確保在使電光響應最佳的溫度范圍中工作。一般，當采用線柵偏振分束器240的(β)旋轉時，調制光學系統200的幀順序調制對比度與未補償的情況相比，可以提高2倍或更多。
雖然線柵偏振分束器240的子波長導線250主要使此器件用作偏振器，但是這種結構還引入少量XY延遲。這可以通過考慮相關光學結構、形式雙折射或“蛾眼”光學器件的屬性來定性理解。首先，形式雙折射的光學結構類似于圖3的線柵偏振器100，但是線110不是金屬的，而是介質。而且，典型的可見波長形式雙折射光學結構具有高的介質線(臺面)，溝槽115的深度大于臺面寬度(例如大于20∶1的縱橫比)。通過比較，典型線柵偏振器具有淺線，線厚度與線寬度之比為適當的～2∶1。
如同線柵器件一樣，介質的形式雙折射結構可以具有類似于圖3的溝槽和線(臺面)的一維圖案。或者，具有對稱的介質子波長溝槽和臺面的圖案或者不對稱的介質子波長溝槽和臺面的圖案(X和Y方向上不同)的二維結構也是可行的。對稱的二維結構可以起到類似于具有寬波長、對偏振不敏感和對角度不敏感的響應的增透(AR)涂層的作用。具有不對稱二維圖案的結構提供偏振敏感的增透特性。類似于圖3的介質子波長光學微結構的一維圖案是各向異性的，并且提供形式雙折射(在X和Y方向上具有不同的光延遲值)，以及增透屬性。I.Richter等人的論文“形式雙折射微結構的設計考慮”(AppliedOptics，第34卷第14期第2421-2429頁，1995年5月)討論了光學器件的具體設計。該論文說明了可以如何調整諸如臺面/溝槽結構的節(jié)距(p)、寬度(w)以及高度或厚度(t)的各種參數以使設計最優(yōu)化。作為形式雙折射的具有介質微結構的光學器件可用作可見光譜波片和延遲器，提供100-400nm的延遲(直到幾乎為一個波長的延遲)，隨設計而定。形式雙折射與在晶體中觀察的更為常見的體積雙折射明顯不同，后者是由材料內的電特性的各向異性變化引起的。
由于線柵偏振器和偏振分束器包含具有XY各向異性的子波長結構，這些結構可引入少量形式雙折射作為器件的設計和制造的副產物。此外，在美國專利6122103中描述了另一種改進的線柵偏振器，它具有子波長結構，其中金屬線制造在厚度為tR的介質肋條之上。在該情況下，介質肋條結構上的金屬線用來將傳輸諧振移動到較低波長，從而在可見光譜上更全面地擴展線柵性能。所述線柵偏振器包括XY各向異性有效媒體結構，該結構可能呈現出XY形式雙折射，從而呈現延遲。延遲引入一個偏振相對于正交偏振的延遲，這轉換成入射光的偏振的相位變化Δφ。相位變化Δφ可以這樣計算Δφ＝2π*t*Δn/λ，其中(Δn)是結構所提供的折射率變化(Δn＝n7-n⊥)(雙折射)，(t)是結構的厚度。延遲是以距離來表示的相位變化Δφ；例如π/2相位變化Δφ提供四分之一波長λ/4延遲，它在550nm等于～138nm延遲。但是，雖然可以預期各向異性形式雙折射存在于線柵偏振器和偏振分束器中，但是應用對線柵偏振器的控制旋轉，正如為了引入少量XY延遲從而調整對比度而在調制光學系統200中使用的一樣，是先有技術中未明示或未預期的。此外，線柵偏振器旋轉的交互作用，作為簡化調制光學系統200和補償器260的構造的機制，也是先有技術未預期的。
雖然線柵預偏振器230、線柵偏振分束器240以及線柵檢偏器270都可以旋轉以達到提高對比度或光效率的效果，線柵偏振分束器240的旋轉是最有利的。對于沿著系統光軸275的光，線柵結構的少量XY延遲或多或少平行于或垂直于其線。當按照一定控制的角度大小(β)從其標稱位置(β＝0°)旋轉線柵偏振分束器時，其XY延遲可被定向得更加垂直于LCD的XY延遲，從而更好地補償LCD。單獨的線柵檢偏器270的旋轉(線柵預偏振器230和線柵偏振分束器240都是固定的(未旋轉))提供下面討論的觀察到的對比度提高的最大部分(在某些情況下大于95％)。
再參照圖4，關于調制光學系統200給出所測量的對比度的三個其它實例，其中空間光調制器210是VA-LCD(具體來講是器件“A”)，并且采用了線柵偏振器的旋轉來調整對比度。在第一實例中，在補償器260是具有180nm延遲(Z)的C-片和具有12nm延遲(XY)的A-片的典型組件，并且線柵偏振分束器240和線柵檢偏器270都被擰過一定角度的情況下，測量對比度。結果，組合XYZ補償器和線旋轉對比度460表明在F/2.3測量的～1600∶1的對比度基本上等于由此補償器單獨提供的XYZ補償后的系統對比度450。但是，線旋轉確實給出了在較高F數下的少量對比度提高。這種測量的組合XYZ補償器和線旋轉對比度460當然比未補償的系統對比度300高得多。為了獲得這種結果，線柵偏振分束器240旋轉了β～0.5-2°，而線柵檢偏器270在同樣方向上旋轉了α～1-3°。雖然線柵偏振分束器240和線柵檢偏器270都旋轉了所述角度(分別旋轉了β和α)，但是這些器件的定向仍然是它們的子波長線基本上定向相對于圖3是“垂直的”(“進入頁面”)。這個數據基本上表明調制光學系統200可以由LCD210和補償器260來構造，而線柵偏振器被擰動一定角度以進一步提高系統對比度。
作為圖4中所示的第二個其它實例，在補償器260僅包括具有220nm延遲(Z)的C-片，并且線柵偏振分束器240和線柵檢偏器270都被擰過一定角度的情況下，測量對比度。結果由組合Z補償器和線旋轉對比度465來表示，表明對于這種組合在F/2.3測量的～1100∶1的對比度比所測量的未經補償的系統對比度300和僅Z補償的對比度455都要好，但是低于XYZ補償的系統對比度450或組合XYZ補償器和線旋轉對比度460。為了獲得這種結果，線柵偏振分束器240旋轉了β～3-5°，而線柵檢偏器270在同樣方向上旋轉了α～6-7°。線柵偏振分束器240的旋轉引入估計～6-8nm的XY延遲，這小于LCD使對比度最大所需的～12nm的XY延遲。在這種情況下，采用具有可選旋轉的線柵偏振器、LCD210以及補償器260的調制光學系統200提供了在F/2.3的增強對比度，這比未補償對比度高，但是比最佳補償器得到的對比度低。這意味著，線柵偏振器的平面中旋轉有可能用來提高對比度，同時簡化相關偏振補償器(典型補償器是僅有Z補償的)的設計和結構。
作為圖4所示的第三個其它實例，對調制光學系統200測量對比度，該系統包括線柵偏振分束器240、線柵檢偏器270、線柵預偏振器230以及LCD 210(器件“A”)，但是在沒有補償器260的情況下測試，同時線柵偏振分束器和檢偏器都經過角度旋轉。結果由僅旋轉對比度470來標識，表明在F/2.3下有～700∶1的對比度，這比所測量的未經補償的系統300要好，與僅Z補償的對比度455相當。更重要的是，在F/2.3，對于此實例(LDC 210為器件“A”)的旋轉對比度低于系統對比度的～1000∶1的目標規(guī)定，并且低于所測量的XYZ補償的系統對比度450以及組合XYZ補償器和線旋轉對比度460。因此，對于類似于呈現器件“A”的LCD 210，線柵器件的平面中旋轉未提供足夠的延遲來補償器件中的殘留延遲，還需要其它偏振補償器。
更概括地說，圖4表明，在～F/4或低于F/4下工作，并且采用LCD210和XY和Z延遲良好匹配的補償器260的組合的調制光學系統200的對比度高于其它途徑提供的對比度。具體來講，對于此實例(VA-LCD器件“A”)，在F數為～4.0或更低時，XYZ補償的系統對比度450和組合XYZ補償器和線旋轉對比度460都明顯高于僅線旋轉對比度470。實驗還證明，～F/4到～F/6區(qū)域是交叉區(qū)，這取決于所用的特定LCD和特定的補償器，可以通過偏振補償器、或者通過線柵偏振器的平面中旋轉、或者通過這兩者的組合獲得最高對比度。甚至在F/4到F/6的交叉區(qū)中，與給定LCD良好匹配的偏振補償器的使用一般會提供最高對比度。但是，在這種F/4到F/6的交叉區(qū)中，對于從生產線上可用LCD的有效選擇，通過線柵偏振器的旋轉提供的對比度可能會高得足以滿足要求苛刻的應用、如數字影院投影的對比度要求，而不用使用偏振補償器。在F/6以上，通過線柵偏振器(470)的旋轉提供的對比度一般會達到或超過當使用偏振補償器時獲得的對比度。在該情況下，可以簡化調制光學系統200，因為可以省略補償器260而仍然獲得較高的對比度。
圖4中提供的對比度-F數的曲線都是專門從采用標識為器件“A”的VA-LCD進行的測試中獲得的。采用前面所述的標識為器件“B”和器件“C”的VA-LCD，在調制光學系統200內測試，完成測量的等效范圍。雖然這些器件呈現出與“A”相當不同的特性，包括明顯不同的固有內部殘留XY和Z延遲，通過器件“A”獲得的表示在圖4中的結論同樣應用于這些器件。具體來講，VA-LCD器件“A”和“C”具有殘留XYZ延遲，使得兩種器件在未經過偏振補償的條件下測試時提供棒球圖案類型的ISO對比度，雖然在各種測試條件下，器件“C”的性能不如器件“A”(對比度較小)。但是，器件“C”，如圖4中所示的器件“A”數據一樣，對于XYZ補償的系統對比度450和組合XYZ補償器和線旋轉對比度460的測試條件在F/4以下提供最高對比度(～1100∶1或更高)，而組合Z補償器和線旋轉對比度465和僅線旋轉對比度470在中間值(分別是800∶1+和600∶1+)，并且僅Z補償的對比度455和未補償的系統對比度300提供最低對比度(～500∶1)。類似地，F/4到F/6區(qū)域也是器件“C”的交叉區(qū)，其中利用偏振補償器獲得最高對比度，但是僅借助于線柵旋轉進行的補償也提供高對比度，這超過采用實際偏振補償器的情況下的一些補償器組合。最終，在F/6以上，采用器件“C”的測試結果類似于器件“A”的測試結果，所以通過線柵偏振器(470)的旋轉提供的對比度一般達到或超過當使用偏振補償器時獲得的對比度。
關于VA-LCD器件“B”的結果表現出與器件“A”和“C”明顯不同的特性，但是總的結論仍是類似的，若看ISO對比度來觀察，器件“B”具有固有的鐵十字特性。具體來講，采用這種器件，利用僅Z補償器(220nm Z補償器)而不是XYZ補償器(180nm Z和12nm XY補償器)時，獲得最高對比度，盡管兩種情況下的對比度都相當高(在F/2.3在1500∶1以上，在其余F/3到F/10范圍上超過2000∶1)。當在“天然”狀態(tài)下使用器件“B”而不借助于偏振補償器或線柵偏振器旋轉時提供的對比度低于前面采用僅Z補償器或XYZ補償器的情況。具體來講，在F/2.3，天然狀態(tài)對比度無法達到數字影院的大于1000∶1的目標。但是，對于相同器件“B”的天然對比度在F/4到F/10范圍上超過1500∶1。當然，與使用簡單的僅Z補償器或者操作“天然”器件(超過～F/4)時相比，借助于線柵偏振器的旋轉進行的偏振補償可以提供給鐵十字ISO對比度器件的優(yōu)點比提供給棒球圖案ISO對比度器件的小。但是，在VA-LCD器件“B”的特定情況下，僅當此器件在其OFF狀態(tài)下且在甚至偏置電壓也沒有的條件下測試時可以得到純鐵十字特性。一旦施加偏置電壓，鐵十字圖案轉換成棒球圖案，雖然對比度是比采用器件“A”或“C”時觀察的對比度更黑更高。在操作中，器件“B”具有少量殘留XY延遲(～2～3nm)，這可以通過線柵偏振器的旋轉來補償。
一般，采用各種VA-LCD的實驗表明，調制光學系統200內的線柵偏振器的平面中旋轉產生可調整大小的XY延遲，這可用于偏振補償，從而提供對比度。線柵偏振器的受控旋轉一般在整個測試的F/2.3到F/10的范圍上提高所測量的對比度，還可能消除使用偏振補償器的必要。這對于在F/6或更高速度下工作的光學系統來說，更是如此。對于需要1000∶1以上的調制對比度并且在低于F/4速度下工作的要求苛刻的應用，利用提供與伴隨使用的LCD良好匹配的XY和Z延遲的偏振補償器來得到最佳結果。但是，在這種情況下甚至在這個范圍中，可以使用線柵偏振器的受控旋轉來進一步調節(jié)對比度或使對比度最大。F/4到F/6范圍提供混合結果，其中線柵偏振器的旋轉提供明顯的對比度提高，并且通過其自身就可能足夠了，但是在這個范圍中，使用偏振補償器，通過其自身或者與線柵旋轉組合，一般也提供明顯的進一步對比度提高。
如上所述，線柵偏振器的旋轉所提供的對比度提高主要是通過線柵偏振分束器240在調制光學系統200內少量(β)的平面中旋轉獲得的(參見圖5a)。線柵分束器的旋轉提供最大的好處，因為就是借助于這種方式實際利用了各向異性結構的XY延遲。由于旋轉量一般較小(β～3-5°)，通過檢偏器的效率損失一般也較小。名義上也為線柵偏振器的檢偏器可以在平面中旋轉角度(α)，如圖5a所示，從而進一步提高對比度和系統效率。在大多數實驗中，線柵檢偏器270在調節(jié)對比度和效率的過程中旋轉較小的角度(α～6-7°)。線柵檢偏器270與線柵偏振分束器240的旋轉方向相同。雖然這兩者可以旋轉相同的角度(α＝β)，一般最佳結果是在檢偏器旋轉得較多(α＞β)的情況下得到的。但是，通過線柵檢偏器270的旋轉提供的增益非常小，使得在一些情況下讓檢偏器固定(不旋轉)是切合實際的。在上述實驗中，當線柵檢偏器旋轉較大角度(α＞8°)時，所測量的對比度和光效率一般都開始下降。在一些測試情況中，在使對比度最佳的同時，線柵偏振分束器240旋轉了大得多的角度(β～15°或更大)。在這種情況下，把(線柵)檢偏器旋轉角度(α)可以提供更大的好處。
類似地，還可以旋轉預偏振器以提高對比度。圖5a說明可以如何在平面中把線柵預偏振器230旋轉角度(δ)。例如，旋轉線柵預偏振器230，同時線柵偏振分束器240和線柵檢偏器270維持在上述標稱最佳角度，分別是β～4°和α～6°。當線柵預偏振器旋轉δ～4-8°時，對比度增大了一個小但有效的量(從～1100到～1140)，并且當在F/2.3采用器件“A”測量時，同時采用僅Z補償器(圖4的僅Z補償的對比度455)，效率增大可忽略(＜1％)。但是，當線柵預偏振器230旋轉了較大的量(δ＞8°)時，對比度繼續(xù)緩慢增大，但是通過調制光學系統200的光效率顯著降低。應當指出，這些偏振器的旋轉名義上描述為在各個相應偏振器的平面中(參見圖5a)，但是這些偏振器中任一個可能具有相對于光束的傾斜角(例如對于預偏振器和檢偏器不是垂直入射)，這些器件仍會在平面中旋轉。例如，可能引入檢偏器的小傾斜以控制背反射和幻像。
當然，在光學領域中眾所周知，在采用正交偏振器和光學光調制器的偏振光學系統中，一個偏振器可相對于另一個器件旋轉，從而使對比度或光通過率最佳。但是，在本發(fā)明中，相對于空間光調制器(LCD)或者偏振器本身，作為偏振補償的方式，旋轉偏振器以利用由各向異性子波長形式雙折射結構提供的固有XY延遲。通過以這種方式引入偏振補償，可以簡化實際偏振補償器260的設計和制造，或者在一些情況下，代替這些設計和制造，從而在提高調制對比度的同時又簡化了整個調制光學系統。
顯然，對于要通過偏振分束器的旋轉引入的有益XY延遲，分束器必須在其結構中具有這種延遲。具有其各向異性子波長線柵結構的線柵偏振分束器可以提供少量XY延遲。開發(fā)或制造這樣一種線柵偏振器或偏振分束器是可能的，其中，XY延遲或者各向異性形式雙折射被作為設計參數來控制和優(yōu)化。在該情況下，可以預期，利用這種線柵器件的調制光學系統200的設計和性能可以得到進一步提高或簡化，而LCD、偏振補償器260以及旋轉線柵偏振器的匹配可以進一步優(yōu)化。還可以設想，依賴于空間各向異性形式二向色、形式雙折射或子波長結構的其它偏振器可以呈現出具有旋轉的有用XY延遲。例如，采用拉伸的染料/聚合物的如Polaroid和Optiva開發(fā)的染料偏光片(參見美國專利2237567和6049428)和采用圖案對準的銀紋理的來自Corning Inc.的“Polarcor””偏振器(美國專利5430573)，都可呈現一些XY延遲。但是，在兩種情況下，任何XY延遲有可能甚至小于線柵偏振器的XY延遲。此外，這些其它偏振器一般在可見光譜范圍中比線柵偏振器的性能差，特別是有關光效率?；蛘撸梢詷嬙炀哂懈飨虍愋孕问诫p折射子波長結構的偏振器而不采用金屬結構，如線柵偏振器中那樣。例如，R.Tyan等人的文章“形式雙折射多層偏振分束器的設計、制造以及表征”(JOSA A第14卷第7期第1627-1636頁，1997年7月)描述了一種通過各向異性多層介質子波長結構來構造的偏振分束器。雖然Tyan等人的偏振分束器一般與可比的線柵偏振器性能差，因為其設計利用各向異性形式雙折射，所以也可預期它通過旋轉引入一些XY延遲，這可用于相鄰空間光調制器(LCD)的偏振補償。
不要求調制光學系統200中使用的或者預偏振器或者檢偏器是線柵偏振器件。當然最好是，這些偏振器具有高的可見光效率，在可見光譜上提供相對較高的對比度(～100∶1+)以及制造成薄片。例如，旋轉MacNeille型偏振分束器可能關于結構和舍棄光的處置是困難的。當然，線柵偏振器是主要候選者，因為它對于透射偏振具有高的效率、高對比度、大接受角，并且在高溫負荷下是健壯的。盡管如此，也可以采用其它光學偏振器。
同樣，還可以構造一種簡化形式的調制光學系統200，其中，利用線柵偏振分束器240的旋轉來引入XY延遲，作為對LCD空間光調制器210的固有XY延遲的補償，而去除其它偏振部分，但是仍然得到目標對比度。具體來講，如果可以刪除預偏振器、檢偏器或者兩者，則會提高調制光學系統200的光處理效率。如上面討論的，線柵偏振分束器240在透射中提供相當高的對比度，但是在反射中僅提供適量的對比度。除非反射對比度顯著提高(從＜50∶1到＞1500∶1)，否則設計成將調制圖像承載光290反射到投影透鏡285中的圖3的調制光學系統仍需要檢偏器來為數字影院應用提供目標對比度。但是，由于現有的可買到的線柵偏振分束器提供～1000-1200∶1的紅和綠光中的透射對比度，考慮不用預偏振器來構造的調制光學系統200是可行的。例如，若可見波長線柵偏振分束器在減小線節(jié)距的條件下(p～100-120nm)變得可用，則整個可見光譜上的對比度可以超過2000∶1，使得預偏振器無關緊要。
已經結合圖1和3中的系統具體描述了本發(fā)明的內容，它涉及到調制光學系統200，其中線柵偏振器的旋轉、特別是線柵偏振分束器240的旋轉用來引入XY延遲，從而部分地補償相鄰LCD 210的固有XY延遲。在該系統中，設置線柵偏振分束器240以接收來自LCD210和補償器260的光，然后把調制圖像承載光290反射到投影透鏡285中。應當理解，利用線柵偏振器的旋轉來提供對LCD 210的偏振補償的同樣原理還可用于如下調制光學系統200，其中設置線柵偏振分束器240以把調制圖像承載光束290透射到投影透鏡285中。雖然圖8所示的這種系統受到由通過傾斜片透射的成像光所引入的失常(彗差和像散)，但是這種結構另一方面提供了簡化的結構和對準。在圖8的調制光學系統200的情況中，可以不用檢偏器270來構造此系統，因為線柵偏振分束器240提供透射中的高對比度。顯然去除此部件可以簡化系統并且提高光效率。
應當理解，本申請中發(fā)展的用于通過線柵偏振分束器240或者其它線柵偏振器、或者單獨地或者與偏振補償器組合地旋轉來優(yōu)化調制光學系統200的偏振性能的偏振補償概念可用于具有除垂直取向LCD之外的其它空間光調制器的調制光學系統。例如，空間光調制器210還可以是60度扭轉向列LCD、多域垂直取向(MVA)LCD、PLZT調制器或者一些其它偏振旋轉調制器。
此外，應當指出，用于LCD的最佳補償延遲可能不僅隨不同器件而改變，而且隨工作參數而改變。例如，前面提到，器件“C”在未加電壓時呈現出鐵十字圖案ISO-對比度，但是在施加OFF狀態(tài)偏置電壓時是略微的棒球圖案ISO-對比度。還應當看出，標稱補償延遲隨LCD的工作溫度而改變。這可能意味著，重要的不僅是控制LCD的溫度，還要在目標LCD工作溫度下使無論是出自補償器、線柵偏振器旋轉還是出自其組合的補償最優(yōu)化。
還應當理解，作為本發(fā)明的一部分描述的調制光學系統200名義上包括預偏振器、線柵偏振分束器、用作檢偏器的線柵偏振器、LCD以及可能的偏振補償器，并且其中名義上線柵偏振分束器和檢偏器都可以旋轉，以便提高對比度和有可能簡化偏振補償器的設計，它可用于除數字影院的電子投影之外的其它應用。具體來講，前述調制光學系統還可用于打印系統，如用于在紙上或膠片上印制攝影圖象。在該情況下，投影光學器件70可以用一般工作在小的放大倍數下(1∶1到10∶1)的打印光學器件來代替。同樣，這種概念可用于前面所述的單信道彩色順序制(例如投影或打印)。
權利要求
1.一種顯示裝置，包括(a)用于形成光束的光源；(b)用于使所述光束偏振以提供偏振光束的預偏振器；(c)線柵偏振分束器，用于接收所述偏振光束、透射具有第一偏振的所述偏振光束以及反射具有第二偏振的所述偏振光束；(d)反射空間光調制器，用于選擇性地調制具有所述第一偏振的所述偏振光束以在其上進行圖像數據編碼，以便形成調制光束，并且使所述調制光束反射回到所述線柵偏振分束器；(e)補償器，位于所述線柵偏振分束器與所述反射空間光調制器之間，用于調整所述調制光束的斜射光和不交軸光；(f)其中所述線柵偏振分束器反射所述補償后的調制光束，并且在平面內旋轉所述線柵偏振分束器以引入延遲作為補償所述補償后的調制光束的又一種方式；(g)檢偏器，它從所述補償后的調制光束中去除相反偏振怒的殘留光；以及(h)圖像形成光學器件，用于由所述補償后的調制光束形成圖像。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述補償器包括一個或多個雙折射層，這些層包括C片薄膜、或者A片薄膜、或者雙軸薄膜或者其組合。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，旋轉所述檢偏器以使所述對比度或光效率或者這兩者優(yōu)化。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，旋轉所述預偏振器以使所述對比度或光效率或者這兩者優(yōu)化。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，旋轉所述補償器以使所述對比度或光效率或者這兩者優(yōu)化。
6.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，旋轉所述補償器以使所述對比度或光效率或者這兩者優(yōu)化。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述檢偏器是線柵偏振器，其中包括平行子波長線的子結構。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，在平面內旋轉所述檢偏器以使所述對比度或光效率或者這兩者優(yōu)化。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述反射空間光調制器是反射液晶器件。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述反射液晶器件具有垂直取向的結構。
全文摘要
一種顯示裝置(10)包括形成光束(130)的光源(15)。預偏振器(45)使光束(130)偏振以提供偏振光束。線柵偏振分束器(50)接收偏振光束、透射具有第一偏振的偏振光束和反射具有第二偏振的偏振光束。反射空間光調制器(55)選擇性地調制具有第一偏振的偏振光束以在其上進行圖像數據編碼以便形成調制光束(360)并使調制光束反射回線柵偏振分束器(50)。補償器(260)在線柵偏振分束器(50)與反射空間光調制器(55)之間，調整調制光束(360)的斜射光和不交軸光。線柵偏振分束器(50)反射補償的調制光束(360)并在平面內旋轉以優(yōu)化對比度。檢偏器(60)從補償的調制光束(360)中去除相反偏振態(tài)的殘留光。圖像形成光學器件(20)由補償的調制光束(360)形成圖像。
文檔編號G03B21/00GK1467561SQ03141170
公開日2004年1月14日 申請日期2003年6月5日 優(yōu)先權日2002年6月5日
發(fā)明者B·D·西維爾斯坦, G·E·諾斯哈德, A·F·庫爾茨, X·-D·米, B D 西維爾斯坦, っ, 庫爾茨, 諾斯哈德 申請人:伊斯曼柯達公司