專利名稱：采用斜板延遲器的扭曲向列型xLCD對比度補償的制作方法
技術領域：
采用3個TN xLCD面板的光學引擎已在"3LCD，，行業論壇上得以推廣。3LCD結構 的一個子系統示意如
圖1,圖中顯示了一個典型3面板光引擎的圖像調節段。光學子系統 100包括輸入預偏器101a、 101b、 101c,延遲補償器103 a、 103b、 103c, xLCD面板104 a、 104b、 104c,以及出口清除偏光器105 a、 105b、 105c。光學子系統100的中心元件 是分合色立方棱鏡(x-cube ) 110,在此3個獨立光束120 a、 120b、 120c會合，并成為一 個會聚光束130發出，投射在屏幕(未示出)。這3個獨立的光束將提供RGB通道數據。 通常，綠色通道經常對應于第一光束120a,以使其被引向x立方的透射端口。對于每個 顏色通道，xLCD面板104a/104b/104c被置于一組正交布置的偏光器之間(如分別在輸入 預偏器101a/101b/101c與出口清除偏光器105a/105b/105c之間)。在所給出的示意中， 輸入預偏器101a、 101b、 101c使其透射軸沿水平方向取向(平行于圖面)，而出口清除 偏光器105a、 105b、 105c使其透射軸沿垂直方向取向。對應于綠色或"a"通道的光學子系 統100的臂通常包括半波板(HWP ) 106,用于將經調節的垂直偏振光轉變為水平偏振光，使之相對X立方斜邊呈現為p偏振光，并經X立方透射。另一種情況是，如果XLCD面 板104a將入射垂直偏振轉動為開態水平偏振，則HWP 106可被置于光學子系統100的 另一個臂上。
04]延遲補償器103a、 103b、 103 c是用于提高xLCD MDP系統對比度水平的補償元件， 當從斜向看面板時，對比度將降低。例如眾所周知的是，TN模式液晶面板的折射率各向 異性會降低xLCD MDP系統的觀看角度特性。在沒有延遲補償器103a、 103b、 103 c的 情況下，xLCD原面板對比度通常為幾百比一。采用延遲補償器103a、 103b、 103 c時， 經補償后的xLCD面板對比度會大大提高。美國專利申請號20060268207中提出了一種這樣的解決方案，在此作為參考將其全 部內容合并入本申請中。在該文獻中，Tan等人披露了在透射式(如xLCD)和反射式(如 LCoS) MDP系統中均采用傾斜C-板延遲器作為對比度增強措施的方案。傾斜C-板延遲 器采用真空覆膜介電層制成，因此會呈現高可靠性和高延遲均一性。顯然，美國專利號 7,170,574中也對采用真空覆膜介電層生成C-板元件作了說明，在此通過參考將其合并入 本申請中。
07]參見圖2,圖中示出了采用傾斜C-板延遲補償器的現有技術xLCD MDP系統的一 個臂的光學系統。在這一子系統200中，由前級光管(或其他均化器，如蠅眼陣列，未 示出)給出的光錐輸出經預偏器201線性偏振。預偏器201的透射軸220可以在整個圓 周上任意取向，通常相對于X軸成士45。、 0。或90。取向(圖示以0。取向)。經預偏器201 透射的光通過延遲補償器203和xLCD成像器204，后者的慢軸230通常與預偏器透射軸 220成士45。的方位角偏移量235取向。經xLCD成像器204透射的光再射向后檢偏鏡205, 后者的透射軸221通常與預偏器軸220垂直取向。在每種情形下，延遲補償器203均包括一個與x-y平面成某一角度安裝的C-板延遲 器。更具體而言，C-板延遲器203的傾斜使之與系統X軸成極傾角211,與系統Y軸成 極傾角212。這種二維傾斜將轉動軸240設置在與X軸成方位角245的方向。轉動軸240 平行于xLCD成像器204的平面，且平行于系統x-y平面。z軸為主光線的傳播軸，也稱 為透射軸。 圖l為包含3個xLCD微顯示器和3個延遲補償器的3通道透射光引擎的示意圖； [021J 圖2為一種透射式微顯示投射系統的示意圖，該系統包括傾斜的-C-板，用于補 償軸上和離軸光線的顯示元件延遲； 圖6所示為針對以9.5°傾角安裝的450 nm C-板延遲器所計算出的線性延遲(左 圖)、慢軸(中圖)和循環延遲(右圖)的錐光圖(逆時針繞轉動軸轉+45° ); [0261 圖7所示為針對TN90 xLCD (右圖)和帶補償TN90 xLCD (左圖)所計算出的 對比度等高線圖，其中補償采用沿-45。方位傾斜9.5。的450nmC-板延遲器實現(逆時針 繞轉動軸+45°); 圖9為處于黑狀態的理論TN90液晶單元的液晶指示器分布示意圖，采用兩部分
模型； 圖15所示為(-45°, 10.3°)傾斜O-板Z-C-板延遲補償器的理論線性延遲(左圖)、 慢軸(中圖)和循環延遲(右圖)的錐光圖，其中O-板采用正單軸材料配置為50°面外 傾斜，而-C-板有-525 nm延遲(計算波長X = 520 nm ); 圖18所示為針對一實驗TN90xLCD (右圖)以及釆用以非正交軸配置為取向的 (-15°, 9.0°)傾斜0-板/-C-板延遲器(左圖)進行補償的同樣的TN90 xLCD所計算得 出的錐光正交偏光器漏光強度； 圖25為根據本發明的另一種實施方式置于TN xLCD面板前方的延遲補償器的 示意圖。
047
需指出的是，在所有附圖中，相同的特征采用同一參考標識。
具體實施例方式
為了更全面地介紹延遲補償器及其在TN模式xLCD MDP系統中的應用，提供 以下理論和/或實驗數據。
049
90°常態為白色(NW)的TN單元(TN卯)被設計用于作為e或o波導，在開 態(如無驅動)下實現絕熱波導。在沒有施加電壓的情況下，入射光的偏振隨液晶指示 器的扭角轉動，液晶指示器會進行90。的平滑扭轉，使透射光以垂直于入射光的偏振射出。 在關或黑狀態，由所施加電場產生的靜電場使液晶指示器沿單元的透射軸取向(如垂直取向)，以使入射光在通過液晶單元時不會改變偏振狀態。請注意，盡管整個單元經常 被描述為在關狀態下具有垂直取向，但通常只有液晶單元的內部或中間段才是真正垂直 取向，因為靠近單元出、入口段的液晶指示器會受到取向層錨固力的影響(如在薄膜晶 體管(TFT )基底和反基底上)。 圖3所示為處于關狀態的TN90的液晶指示器理論分布的一個示例。當從出口或 投射一側看TN90時，入口液晶指示器方位301沿X軸方向，而出口液晶指示器方位303 則平行于-Y軸方向。在入口段與出口段之間，液晶指示器沿路徑302連續轉動，同時通 過液晶單元厚度改變面外傾角。因此，TN卯被稱為采用逆時針(CCW)扭轉(從外表 面看)或左旋(LH)扭轉。很明顯，扭角的范圍位于RH-XYZ視圖的第四象限。TN90 在法向入射下的有效慢軸(SA)近似將扭角范圍平分。在圖3中，SA由方位角305的 箭頭304表示。 如線性延遲圖(圖5和6左側)中所示，TN xLCD面板的SA和延遲補償器的 SA配置為正交方位耳又向，以使快/慢軸對法向入射光的作用可由延遲補償器轉換為TN xLCD面板。換言之，具有特定偏振的光將在延遲補償器和TN xLCD面板內分別交替形 成較長和較短的延時，反之亦然。由于在兩種組件內的法向入射光平均延遲近似相等(如 5.1-5.3 nm),最終合成效果是對輸入偏振實現相對延時基本為零。如果在延遲補償器內 對法向入射光的平均延遲較大，則延遲補償器的SA通常會被轉離(定時)這種正交軸 配置。 為了對TN90 xLCD提供改善的延遲補償器，必須考查延遲補償器的最佳特性。 理想情況下，延遲補償器應能夠(a)補償面板的面內延遲，(b)減小面板的面外+C-板延遲，(c)匹配面板延遲的線性延遲不對稱但采用翻轉軸(面板的FA與延遲器的SA, 反之亦然)，以及(d)減小關狀態下面板的循環延遲。
062
常規情況下，前兩項要求(a)和(b)已經通過A-板和C-板延遲的獨立控制以 靈活方式給予滿足，例如美國專利號7,170,574所披露。由于A-板和C-板延遲由不同組 件實現，前3項要求(a)、 (b)和(c)相對容易滿足。在美國專利申請號20060268207 中，前2項要求(a)和(b)由僅有-C-板的延遲器來滿足，該延遲器被傾斜，以便對面 板的面內和面外延遲均進行補償。盡管僅有傾斜C-板的延遲器具有組件數量較少的優勢， 但延遲補償器的FA和SA由入射平面確定的事實(如上文所述的幾何延遲器)可能使第 3項要求的滿足更困難。例如，為了滿足針對上述實驗TN xLCD面板的第3項要求(c), 延遲補償器沿SA平面應呈現線性延遲，即在波長 1= 520 nm條件下，從9= -12°下的約 12 nm轉為e= +12°下的約-27 nm。如上所迷，僅有-C-板的延遲器在沿FA平面的線性 延遲分布上將呈現不對稱性。因此，相比用于上述TN模式xLCD的對比度補償，僅有 C-板的延遲器更適用于透射式面板的對比度補償(其快/慢軸取向與TPR與xLCD兩者 的面板延遲不對稱之間存在自然的匹配)和/或反射式面板的對比度補償(其不對稱采用 雙通式配置加以均衡)。 如上所述，當TPR和TN90 xLCD面板的延遲幅度大致相同時，TPR 403的面內 慢軸450取向近似垂直于TN90 xLCD面板404的面內慢軸430 (如在方位上)。在更普 遍的情況下，TPR元件的凈延遲做得更大些，以考慮面板延遲容差，并且采用時鐘轉動 來優化對比度性能(即時鐘轉動軸垂直于傾斜板)。在此情況下，笛卡爾延遲器元件的 轉動軸和/或慢軸可能分別偏離垂直或平行于板傾方位平面的方向。例如，如圖13b所示， 轉動軸440與X軸約成逆時針75°角，而笛卡爾延遲器的慢軸450則與X軸約成逆時針 110°角。對于O-板笛卡爾延遲器元件，慢軸指的是光軸與+Z軸極角為銳角的方位平面。 圖13c中給出了轉動軸和笛卡爾延遲器慢軸一般取向的三維透視圖。請注意，在板傾斜 之后，轉動軸保持與面板X-Y平面平行。笛卡爾延遲器的取向為與系統X軸成極傾角 411，與系統Y軸成極傾角412。 7 AOI和X = 520 nm條件下的延遲偏差圖譜如圖23所示。可以發現，重復段內 的"H"部分越高，C延遲的色散程度就會變得越大(如第9種設計)。因此，10nmH/40nmL 的設計(如第5種設計)是最受歡迎的設計。然而，選擇不接近50:50比例的"H"和"L" 配對厚度會減小有效的形狀雙折射。因此，5個例子中最好和最差色散設計需要明顯較多 的層來實現相同的C延遲量。注意，此處所說的C延遲量已被計算為X = 520 nm下折射 率為{1.655， 1.502}的單層單軸負C-板延遲器的等效離軸延遲效應(以及在提供的其他波 長下的全折射率色散)。參照合成異常和尋常折射率得出的C延遲量可能與此處所報告 的結果有很大差異。 A-板延遲器506為雙折射元件，其光軸與板/層平面平行(如用于表示各向異性 的折射率橢球所示)。當A-板延遲器元件506配置為正單軸元件時，光軸也是慢軸。適 用于制作A-板延遲器506的一些材料的例子包括延展箔片延遲器、液晶聚合物和單晶石 英。A-板延遲器506還可選擇包括支承基底。[090
每個-C-板延遲器507a、 507b均為光軸取向垂直于板/層平面的雙折射元件。盡 管-C-板通常不會為法向入射光線提供任何凈延遲(即法向入射光不受雙折射影響)，離 軸(即與光軸成一角度)入射的光線會有凈延遲，其值正比于入射角。具體而言，凈延 遲隨入射角增大而減小(如與+C-板相反，其凈延遲隨入射角增大而增大)。-C-板元件 507a、 507b被耦合至A-板506，使其光軸取向垂直于A-板平面。適用于制作-C-板507a、 507b的一些材料的例子包括盤狀液晶和盤狀雙折射聚合復合物。制作-C-板507a、 507b 的一種特別有吸引力的方法是在A-板506的每一側涂覆形狀雙折射抗反射(FBAR)涂 層。 在參照圖13a和24所述的每種實施方式中，相對無傾斜配置，傾斜A和/或0-板會減小A/0-板笛卡爾延遲器元件的光軸與透射軸(如z軸)之間的夾角。因此，A/0-板的有效面內延遲被減小，引發的關于光錐軸的線性延遲不對稱則變得更大，以便與沿 同 一方位平面的TN面板的線性延遲斜率相匹配。笛卡爾延遲器元件(如A-板或0-板) 的凈延遲與傾斜-C-板之間的相互影響可以形成有效延遲斜率。沿著一個方位方向，傾斜 笛卡爾延遲器元件的凈延遲將抵消傾斜-C-板延遲器的凈延遲，以實現平坦的延遲分布。 沿相反的方位方向(即180°偏轉)，光線靠近傾斜笛卡爾延遲器元件的光軸傳播，且由 傾斜-C-板元件獲得較陡的延遲斜率。 當然，上述實施方式僅作為示例提供。具備現有普通技術的人員應可以理解，在 不背離本發明的精神和范圍的情況下，將采用各種改動、替代配置和/或等效方案。 [097
例如，斜板延遲器不局限于對配置為90。扭轉面板、釆用左旋(LH)扭轉、扭轉 區間位于第4象限和/或入口/出口液晶指示器平行于X軸和Y軸的TN xLCD面板進行補 償。在一種實施方式中，傾斜延遲補償器用于提高采用右旋(RH)扭轉的TN90單元的 對比度。在另一種實施方式中，傾斜延遲補償器則用于提高入口/出口方位平面置于需要 位置的非90° TN單元的對比度。
[098
此外，本發明不局限于將斜板延遲器安置于預偏器與xLCD成像器之間和/或會 聚或發散光錐內。但請注意，在會聚/發散成像系統中加入任何傾斜板光學元件，可能因 板的傾斜引發慧形像差和像散形式的像差。如果斜板延遲器與TNxLCD面板相鄰布置， 位于輸入偏光器與輸出檢偏鏡之間，則由傾斜板導致的像差可能會使光照特性降低(即 由于其位于光路上)，但不會損害屏幕的最終圖像質量(即因為投射路徑不包括斜板延遲器)。還應注意，在低像素分辨率面板(如像素點距為幾十微米的720p面板)中，斜 板延遲器所引發的像差不會導致可感知的調制傳遞函數(MTF)失效，也即使傾斜板位 于投射路徑上。
[099
此外，斜板延遲器并不局限于傾向于在空氣中自由入射。例如，在一種實施方式 中，斜板延遲器被浸沒在一種密度相對較大的各向同性光學介質(如固體或液體)，以 使延遲補償器的入口和/或出口平面基本上與TN xLCD平行(例如，即使A/O-板自身仍 相對于透射軸傾斜的情況下)。
0100在上述每種實施方式中，斜板延遲器被描述為包括夾在兩個-C-板之間的傾斜 A/0-板。盡管采用兩個-C-板有利于均衡O-板延遲器和/或可選的支承基底上的應力，但 僅使用一個-C-板和/或采用不同的配置也屬于本發明的范圍。例如，在一種實施方式中， 單一-C-板雙折射元件在光傳播順序上安裝在笛卡爾延遲器之前或之后，整個補償器也在 光傳播順序上安裝在微顯示面板之前或之后，且安裝方式要縮短面板和補償器系統的循 環延遲。而在圖25所示的另一種實施方式中，斜板延遲器603包括置于基底609 (如透 明玻璃基底)第一側上的第一 FBAR涂層疊層607a和置于基底609的第二即相對側上的 第二 FBAR涂層疊層607b。在涂有FBAR的基底(如LCP層)的一側上提供有O-板606。 例如，在一種實施方式中，O-板606安裝在涂有FBAR的基底的第二側上。O-板606的 相反一側涂有AR涂層608,用以減小反射。整個補償板603相對液晶顯示器面板604平 面傾斜一個以9pt標示的角度。很明顯，FBAR疊層607a/607b和O-板606相對于光傳播 和面板604的這一順序已示出，并帶有建模結果，以提供經過改善的TN xLCD面板604 的循環延遲補償。當然也可采用其他替代配置(如O-板可被沉積在入射一側涂有FBAR 的基底上)。
0101此外在上述每種實施方式中，斜板延遲器僅采用單一A-板或O-板配置。在其他 實施方式中，斜板延遲器采用多層笛卡爾延遲器元件(如多個液晶聚合物層)配置，以 實現所需的循環延遲。也可選用多層笛卡爾延遲器元件來實現-C-板功能。 [01021 而且在上述每種實施方式中，斜板延遲器被描述為包含單軸雙折射材料。可選地， 斜板延遲器也可以選用雙軸材料。事實上，在實際使用中經常是難以制作真正的單軸層 (如某些被視為單軸的液晶聚合物可能有雙軸組分)。
01031請注意，盡管僅示出了一個斜板延遲器用于對比度補償，但提供多個斜板延遲器 仍屬于本發明的范圍。因此，本發明的范圍僅由所附的權利要求書來限定。
權利要求
1. 一種液晶顯示投射系統，包括光源；第一偏光器，其用于接收來自所述光源的光，所述第一偏光器的透射軸被定向以透射具有第一偏振的光；液晶顯示面板，其用于接收經所述第一偏光器透射的光，并對所述透射光進行選擇性調制；第二偏光器，其用于接收經所述液晶顯示面板透射的光，所述第二偏光器的透射軸取向基本垂直于所述第一偏光器的所述透射軸；以及補償板，所述補償板包括第一雙折射元件和第二雙折射元件，所述第一雙折射元件光軸取向與所述板的法向成第一角，所述第一角大于0°；所述第二雙折射元件光軸取向與所述板的法向成第二角，所述第二角基本等于0°，其中所述補償板相對所述液晶顯示面板平面傾斜。
2. 如權利要求1所述的液晶顯示投射系統，其中所述第一雙折射元件包含正單軸雙 折射材料。
3. 如權利要求2所述的液晶顯示投射系統，其中所述第 一雙折射元件包含液晶聚合物。
4. 如權利要求1所述的液晶顯示投射系統，其中所述第二雙折射元件包含置于所述 第 一雙折射元件第 一側上的第 一形狀雙折射抗反射涂層。
5. 如權利要求4所述的液晶顯示投射系統，包含置于所述第一雙折射元件第二相對 側上的第二形狀雙折射抗反射涂層。
6. 如權利要求1所述的液晶顯示投射系統，其中所述補償板包括透明支承基底。
7. 如權利要求1所述的液晶顯示投射系統，其中所述補償板置于所述第一和第二偏 光器之間。
8. 如權利要求1所述的液晶顯示投射系統，其中所述第一角位于15°到60°之間。
9. 如權利要求8所述的液晶顯示投射系統，其中所述第一角位于20。到40°之間。
10. 如權利要求1所述的液晶顯示投射系統，其中所述補償板相對所述液晶顯示面 板平面傾斜成0°到約12。之間的一個角度。
11. 如權利要求1至10中任何一項所述的液晶顯示投射系統，其中所述液晶顯示面 板包含扭曲向列型液晶層。
12. 如權利要求11所述的液晶顯示投射系統，其中所述扭曲向列型液晶層具有位于第一象限的慢軸，當所述扭曲向列型液晶被驅動為黑狀態時，與第二象限相鄰的第一象 卩M爭越液晶扭角。
13. 如權利要求11所述的液晶顯示投射系統，其中所迷補償板相對所述液晶顯示面 板平面傾斜，以使所述第 一雙折射元件的光軸與所述扭曲向列型液晶顯示面板的平面法 向成第三角，所述第一角大于所述第三角。
14. 如權利要求11所述的液晶顯示投射系統，其中所述補償板繞轉動軸傾斜，對所述轉動軸進行選擇以對所述液晶面板延遲不對稱提供補充的延遲不對稱。
15. 如權利要求11所述的液晶顯示投射系統，其中所迷補償板繞平行于所述板法向的軸以時鐘轉動離開正交軸配置。
16. —種提高液晶顯示投射系統對比度的方法，該方法包括提供包括第一雙折射元件和第二雙折射元件的補償板，所述第一雙折射元件的光軸 取向與所述板法向成第一角，所述第二雙折射元件的光軸^f又向與所述板法向成第二角， 所述第一角大于0。，所述第二角基本等于0。；以及安置所述補償板，使其相對所述液晶顯示投射系統中的液晶顯示面板傾斜。
17. 如權利要求16所述的提高對比度的方法，其中安置所述補償板包括將所述補償 板繞基本平行于所述液晶顯示面板慢軸的轉動軸傾斜。
18. 如權利要求16所述的提高對比度的方法，其中安置所述補償器包括將所述補償 板繞與所述液晶顯示面板慢軸位于同 一 象限內的轉動軸傾斜。
19. 如權利要求16至18中任何一項所述的提高對比度的方法，包括將所述補償板 繞平行于所述板法向的軸轉動，以使對比度提高。
全文摘要
本發明采用傾斜補償板來為液晶顯示投射系統提供對比度補償，該系統包含光源、第一偏光器、液晶顯示面板和第二偏光器。補償板包括第一雙折射元件和第二雙折射元件，所述第一雙折射元件的光軸取向與板法向成第一角，其中第一角大于0°(如A-板或O-板)，所述第二雙折射元件的光軸取向與板法向成第二角，其中第二角基本等于0°(如C-板)。補償板相對液晶顯示面板平面傾斜。已證明傾斜的補償板可以改善扭曲向列型液晶顯示器的對比度補償。
文檔編號G02B5/30GK101285966SQ20081008897
公開日2008年10月15日 申請日期2008年4月10日 優先權日2007年4月10日
發明者卡倫·丹尼斯·亨德里克斯, 譚金龍 申請人:Jds尤尼弗思公司