DE10008337A1 - Flüssigkristallstruktur mit verbessertem Dunkelzustand sowie dieselbe verwendender Projektor - Google Patents
Flüssigkristallstruktur mit verbessertem Dunkelzustand sowie dieselbe verwendender ProjektorInfo
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Abstract
Flüssigkristall(LC)-Lichtventil mit einer verdrehten nematischen LC-Schicht, deren Moleküle bezüglich Pixelkanten an der Spiegelrückebene ausgerichtet sind, wodurch ein verbesserter Kontrast und eine verbesserte Effizienz sowie eine reduzierte Sichtbarkeit von Säulenabstandshaltern im Dunkelzustand bereitgestellt werden. Die vorliegende Erfindung zielt auf eine LC-Struktur ab, bei der die Rückebene in einer Richtung geradlinig zu den Pixelkanten gerieben wird. Der LC-Schicht wird die gleiche Torsionsrotation und Doppelbrechung verliehen wie in den herkömmlichen TN-Lichtventilen. Die Polarisationssteuerung wird durch Beleuchten des Lichtventils mit Licht, dessen Polarsisation um den Torsionswinkel relativ zu der x- und der y-Pixelachse gedreht ist, sowie durch Sammeln der orthogonal polarisierten Komponente des reflektierten Lichts aufrechterhalten. Das obere Glas des Lichtventils wird somit in einer Richtung gerieben, die um den Torsionswinkel aus der horizontalen Richtung oder der vertikalen Richtung gedreht ist, in der die Rückebene gerieben wird.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf reflektierende
Flüssigkristall(LC)-Lichtventile (reflective liquid crystal
lightvalves), die eine verdrehte (twisted) nematische LC-Schicht
beinhalten, deren Moleküle bezüglich Pixelkanten (pixel edges) an
der Spiegelrückebene ausgerichtet sind, was zu einem verbesserten
Kontrast und einer reduzierten Sichtbarkeit von
Säulenabstandshaltern (post spacers) im Dunkelzustand (black
state) führt.
Reflektions-Lichtventile werden zur Verwendung in
Projektionsanzeigen in großem Umfang populär. Derartige
Lichtventile können in ihrer Abmessung mit einem vergleichsweise
geringen Verlust an Pixelapertur reduziert werden, was eine
entsprechende Verringerung der Abmessung und Kosten des
Projektionssystems ermöglicht. Reflektierende Lichtventile auf
der Basis von Schichten aus verdrehten nematischen
Flüssigkristallen (TNLC), wie den 45°- oder 54°-Torsionsmodi
(twist modes), nutzen eine gut entwickelte LC-Technologie und
können mit relativ moderaten Treiberspannungen eine vernünftige,
zufriedenstellende optische Antwort bereitstellen, wenn schwarze
(d. h. dunkle), weiße (d. h helle) oder dazwischenliegende
grauschattierte Bildbereiche wiedergegeben werden; die
Bilderscheinung im Dunkelzustand zeigt jedoch gewisse
Unzulänglichkeiten, die nunmehr beschrieben werden.
Herkömmlicherweise werden die vorstehend beschriebenen Systeme
mit Licht beleuchtet, das in einer Richtung polarisiert ist, die
geradlinig zu der x- und y-Achse der Lichtventilpixel ist, d. h.
das einfallende E-Feld verläuft parallel oder senkrecht zu den
Pixelkanten. Das E-Feld an der Spiegelrückebene wird dann um den
Torsionswinkel (twist angle) relativ zu dieser Einfallsrichtung
gedreht, z. B. wird die Polarisation an der Rückebene um 45° oder
54° relativ zu den Pixelkanten gedreht.
Die Topographie der Rückebene beinhaltet typischerweise vertikale
und horizontale Spiegelelektrodenkanten, wobei die Pixelspiegel
in einer Zeilen-Spalten-Weise ausgelegt sind, um die Pixel des
projizierten Bildes bereitzustellen. Wenn ein Leiter, wie diese
Pixelelektroden, durch ein elektromagnetisches (E)Feld
bestrahlt wird, entstehen Ströme entlang seiner Grenzen, was zu
Streustrahlung (scattered radiation) Anlaß gibt. Wenn die Kanten
geradlinig verlaufen, sind die Polarisations-Eigenzustände
(polarization eigenstates) der Streustrahlung ungefähr geradlinig
zu diesen Kanten. Wenn die Eingangspolarisation keine von diesen
Eigenzuständen ist, z. B. wenn sie in einer gedrehten Orientierung
liegt, tendiert das gestreute Licht dazu, von den Kanten
depolarisiert zu werden. Um eine Depolarisierung durch Streuung
an der Pixelelektrodentopographie zu vermeiden, wäre es äußerst
wünschenswert, wenn die Polarisation an der Rückebene horizontal
oder vertikal wäre, anstatt bei z. B. 45° oder 54° orientiert zu
sein. Eine derartige Depolarisierung fügt unerwünschtes Licht zum
Bild im Dunkelzustand hinzu und nimmt nützliches Licht vom Bild
im Hellzustand (white state) weg. Die Pixel, welche dieses
gestreute Licht erzeugen, weisen die gleiche Periodizität wie die
Beugungsordnungen (diffraction orders) auf, welche die
Bildinformation tragen, was es unmöglich macht, durch räumliches
Filtern das depolarisierte Licht zu entfernen, wie es ansonsten
möglich wäre, wenn eine Laserbeleuchtungsquelle verwendet würde.
Der üblichste Herstellungsprozeß zum Aufbauen der Orientierung
der LC-Moleküle an der Rückebene besteht im Reiben (rubbing)
einer Justierschicht (alignment layer). Dieser Reibprozeß erzeugt
Artefakte, wenn die Lücke der Lichtventilzelle durch
Abstandshaltersäulen (spacer posts) aufrechterhalten wird, die an
den Grenzen zwischen Spiegelpixeln angeordnet sind. Der
Hauptvorteil der Abstandshaltersäulentechnologie besteht darin,
daß sie eine sehr präzise Steuerung der Zellenlücke bereitstellt;
ein Nachteil besteht jedoch darin, daß Abstandshaltersäulen die
Ausrichtung eines nahegelegenen LC stören. Einfallendes Licht,
dessen Polarisation durch jenen Teil des gestörten LC verändert
wird, der den Säulen unmittelbar benachbart ist, wird durch die
Schicht mit niedrigem Reflexionsvermögen (reflectivity), welche
die Pixelspiegel trennt, größtenteils absorbiert; somit hat in
Bereichen, die sehr dicht bei den Säulen liegen, der gestörte LC
eine geringe Wirkung auf das angezeigte Bild. Unglücklicherweise
kann der Bereich des gestörten LC in der Richtung des Reibens der
Justierschicht beträchtlich ausgedehnt sein (~ 10 µm). In den
bekannten reflektierenden TN-Lichtventilen verläuft diese
Reibrichtung unter einem Winkel wie 45° zu den dunklen
Zwischenpixelgrenzen, was eine sichtbare LC-Störung in den
Bereichen über den Spiegeln erzeugt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Flüssigkristall(LC)-Struktur, bei der die Rückebene in einer
Richtung geradlinig zu den Pixelkanten gerieben wird. Die LC-
Schicht erhält die gleiche Torsionsdrehung (twist rotation) und
Doppelbrechung (birefringence) wie in dem herkömmlichen TN-
Lichtventil. Die Polarisationssteuerung wird durch Beleuchten des
Lichtventils mit Licht, dessen Polarisation um den Torsionswinkel
relativ zu der x- und der y-Pixelachse gedreht ist, und durch
Sammeln der orthogonal polarisierten Komponente des reflektierten
Lichts aufrechterhalten. Das obere Glas des Lichtventils wird
somit in einer Richtung gerieben, die um den Torsionswinkel aus
der horizontalen oder vertikalen Richtung gedreht ist, in der die
Rückebene gerieben wird.
Außerdem sind in der vorliegenden Erfindung mehrere Verfahren
offenbart, eine Beleuchtung und Sammlung in den gewünschten
Polarisationsrichtungen bereitzustellen: Erstens kann Licht durch
eine polarisierende Strahlteiler(PBS)- oder 1-PBS-Optik, z. B. PBS
+ Plumbicon-Prismen, eingebracht werden, die derart gedreht sind,
daß die P-Ebene der PBS-Hypothenusenbeschichtung in eine
Orientierung gebracht wird, in der ihr Schnitt mit der Ebene des
Lichtventils geradlinig zu der gewünschten Beleuchtungs
polarisation liegt.
Zweitens kann ein gekippter DBEF-Strahlteiler verwendet werden,
dessen Durchlaßachse (pass axis) in der Substratebene in den
Winkel der gewünschten Sammelpolarisation oder in den senkrechten
Winkel gedreht ist. Der DBEF-Strahlteiler ist ein Produkt von 3M
Corporation.
Drittens kann ein existierendes optisches System verwendet
werden, bei dem Licht schräg (oblique) durch einen Polarisator
auf das Lichtventil einfällt und bei dem Licht durch einen
versetzten orthogonalen Polarisator gesammelt wird, wobei jedoch
Rotatoren, wie Lambda-Halbe-Rotatoren (halfwave rotators),
zwischen den Farb-Dichroitelementen (color dichroics) und den
linearen Polarisatoren angeordnet sind.
Viertens kann ein PBS- oder 1-PBS-Optiksatz in der herkömmlichen
Orientierung verwendet werden, wobei ein achromatischer
Präzisions-Lambda-Halbe-Retarder (precision achromatic halfwave
retarder) zwischen der Optik und dem Lichtventil angeordnet ist.
Fünftens kann ein PBS- oder 1-PBS-Optiksatz in der herkömmlichen
Orientierung zusammen mit einer Torsionsschicht verwendet werden,
um die Eingangspolarisation zu drehen.
Sechstens kann ein PBS- oder 1-PBS-Optiksatz in der herkömmlichen
Orientierung zusammen mit einer optisch aktiven Schicht verwendet
werden, um die Eingangspolarisation zu drehen.
Die vorstehenden Ausführungsformen der Erfindung, die oben
beschrieben sind, beinhalten eine Rotation der
Eingangspolarisation und der LC-Struktur in eine Orientierung,
die zu den horizontalen/vertikalen Kanten der nicht rotierten
Pixelelektroden ausgerichtet ist. Es ist eine weitere Klasse von
Ausführungsformen möglich, bei denen die Kanten der
Pixelelektroden in Ausrichtung zu einer LC-Struktur gedreht sind,
die in der herkömmlichen Orientierung gehalten wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ebenso
wie die Struktur und der Betrieb verschiedener Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben. In den
Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder
funktionell ähnliche Elemente.
Nunmehr werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein x,y-Gitter von Elektroden 1000 zeigt, die von
sägezahnförmigen (serrated) Kanten wie 1002 gebildet werden, die
aus Segmenten bestehen, die unter 45° und 135° orientiert sind;
Fig. 2a eine Anordnung von Pixelelektroden zeigt, die von Kanten
gebildet werden, die unter 45° und 135° orientiert sind;
Fig. 2b, c, d des Weiteren die Zeilen- und Spalten-Layouts der
Pixelelektroden von Fig. 2a darstellen;
Fig. 3 ein alternatives Layout von Pixelelektroden darstellt;
Fig. 4 eine Ausführungsform zeigt, bei der eine Kante in jeder
Elektrode leicht geneigt ist, um das reflektierende Pixel von dem
gestörten LC wegzuhalten, der die Säulen umgibt;
Fig. 5a und 5b schematische Darstellungen der
Lichtventilstruktur in der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung sind;
Fig. 6 ein Projektionssystem des Standes der Technik ist, das
bekannte Lichtventile verwendet, die zur Benutzung mit dem
Lichtventil der vorliegenden Erfindung angepaßt werden können;
Fig. 7 eine optische Konfiguration der vorliegenden Erfindung in
der bevorzugten Ausführungsform darstellt;
Fig. 8 eine optische Konfiguration der vorliegenden Erfindung
darstellt, bei der lediglich die PBS-Würfel (PBS-cubes) gedreht
sind;
Fig. 9 eine Positionierung von Lambda-Halbe-Plättchen (halfwave
plates) in einem Projektionssystem derart dargestellt ist, daß
die Lichtventile der vorliegenden Erfindung an das System
angepaßt werden können;
Fig. 10 ein bevorzugtes optisches System zur Verwendung mit den
Lichtventilen der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 11 ein Layout zeigt, daß die Merkmale der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kombiniert, die in den Fig. 9 und
10 gezeigt sind; und
Fig. 12 eine optische Konfiguration der vorliegenden Erfindung
darstellt, die mehrere optionale Verfahren zum Drehen der
Beleuchtung in eine gewünschte Orientierung verwendet.
Die Fig. 5a und 5b sind schematische Darstellungen der
Lichtventilstruktur in der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Fig. 5a zeigt eine
Flüssigkristallschicht 4, die zwischen einem transparenten oberen
Substrat 1 und einem unteren Substrat 6 gehalten ist. Die
Orientierung der Flüssigkristallmoleküle ist durch
Ausrichtungsschichten 5 und 7 festgelegt. Fig. 5b zeigt das
Innere der in Fig. 5a gezeigten Lichtventilstruktur, d. h. ohne
das obere Substrat (Fig. 5a bei 1). An der Unterseite der LC-
Schicht 4 sind reflektierende Pixelelektroden 10 positioniert.
Der Zwischenraum zwischen dem oberen und dem unteren Substrat
(Fig. 5a bei 1 und 6) wird durch Säulen 11 aufrechterhalten. Die
molekulare LC-Orientierung ist durch eine Serie von Pfeilen
schematisch gezeigt, beginnend mit Pfeil 2 an der Oberseite der
LC-Schicht 4 und endend mit Pfeil 3 an der Unterseite. Die
Torsionsorientierung der Pfeile von oben nach unten repräsentiert
die LC-Torsion. Am unteren Substrat 6 sind die molekularen LC-
Achsen und die Reibrichtung bezüglich der Kanten der
Pixelelektroden 10 ausgerichtet, mit Ausnahme einer geringen
Vorverkippung der Moleküle über der rückseitigen Oberfläche. Die
Pfeile repräsentieren in Wirklichkeit die Projektion des LC-
Direktors (LC-director) auf horizontale Ebenen. Die
Eingangspolarisation ist entweder parallel oder senkrecht zu dem
projizierten LC-Direktor an dem oberen Substrat 1. Hierbei kann
der LG-Direktor in einer gegebenen Tiefe in dem LC als die
Feldrichtung angesehen werden, die leicht aus der Rückebene
herausgekippt ist, bei welcher der Brechungsindex des
außerordentlichen Strahls ein Extremwert ist.
Der verbesserte Dunkelzustand in dem Lichtventil der vorliegenden
Erfindung kann in Photographien der Pixelelektroden in einem
herkömmlichen Lichtventil und einem Lichtventil der vorliegenden
Erfindung nachgewiesen werden, die zwischen gekreuzten
Polarisatoren betrachtet werden.
Um die gewünschten Resultate zu erzielen, beinhaltet die
vorliegende Erfindung zwei Klassen von Ausführungsformen. In der
ersten Klasse von Ausführungsformen ist die Optik, d. h. die
Polarisation, relativ zu dem herkömmlichen System gedreht. In
dieser Klasse von Ausführungsformen ist die
Flüssigkristallschicht mit der Polarisation gedreht, die Pixel
werden jedoch unverändert belassen. In der zweiten Klasse von
Ausführungsformen wird die Konfiguration der Pixelkanten
modifiziert, z. B. dadurch, daß sie sägezahnförmige Kanten
beinhalten oder die Orientierung der Kanten gedreht ist.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Polarisation
relativ zu den herkömmlichen Optiksystemen gedreht. Es gibt eine
Anzahl optischer Konfigurationen, die eine Beleuchtung und
Sammlung in den gewünschten Polarisationsrichtungen erlauben, wie
zuvor beschrieben ist und hierin nachstehend detaillierter
beschrieben wird.
Die meisten Projektionssysteme des Standes der Technik verwenden
einen polarisierenden Strahlteiler (PBS), um den bilderzeugenden
Strahl von der einfallenden Beleuchtung zu trennen. Die
einfachsten derartigen Systeme verwenden ein einziges Lichtventil
und PBS; das Lichtventil ist einer Seite des PBS benachbart, und
der PBS-Würfel ist in einer derartigen Weise orientiert, daß
seine externen Kanten geradlinig zu den x,y-Achsen des
Pixelbildgitters verlaufen.
Ein Projektionssystem mit einem einzigen Lichtventil gemäß der
vorliegenden Erfindung wird durch Orientieren des PBS in einer
gedrehten nicht horizontalen Orientierung erhalten, wie unter
Bezugnahme auf Fig. 7 detailliert beschrieben wird. Auf diese
Weise wird die gewünschte Beleuchtungspolarisation erhalten; zwei
Kanten der Würfelfläche benachbart zu dem Lichtventil sind dann
bezüglich der LC-Orientierung an der Eingangsfläche des
Lichtventils ausgerichtet. Zum Beispiel kann ein Lichtventil mit
einer Torsion von 45° mit horizontalen und vertikalen
Pixelachsen wie üblich orientiert sein, während ein benachbarter
PBS-Würfel in eine Orientierung unter 45° aus der Horizontalen
gedreht ist. Der PBS muß größer als üblich sein, damit seine
Breite die Diagonale des Lichtventils überspannt. Es versteht
sich, daß der Torsionswinkel nicht 45° zu sein braucht und das
Lichtventil rechteckig anstatt quadratisch mit dem PBS als einem
entsprechenden rechteckigen Prisma sein kann. Für alle derartigen
Konfigurationen muß die Abmessung des PBS im Allgemeinen
vergrößert werden.
Ein ähnliches Layout kann in Projektoren verwendet werden, die
zwei Lichtventile mit einem einzigen PBS verwenden. In derartigen
Layouts ist der PBS vorzugsweise einer der neueren Typen, die dem
Fachmann bekannt sind und die einen hohen Kontrast in beiden
Armen des PBS bereitstellen, zum Beispiel jene auf der Basis von
unterdrückter interner Totalreflexion (frustrated total internal
reflection). Derartige Systeme sind in L. Li et al., "High
Efficiency Projection Displays Having Thin Film Polarizing Beam-
Splitters", World Patent WO 9807279 (1998), L. Li und J.
Dobrowolski, "Thin Film Polarizing Device", World Patent
WO 9707418 (1997) und A. E. Rosenbluth, "Use of Air Spaces as Unit-
Index Films in Large Bandwidth Interference Coatings", IBM
Technical Disclosure Bulletin 12 bis 89 (1989), Seiten 57 bis 59
offenbart.
Projektoren, die drei Lichtventile verwenden, erfordern
Prismenaufbauten für Strahlteilung/-zusammenführung, die
komplizierter als ein einfacher PBS sind. Ein derartiger
Prismenaufbau mit vielen Elementen für Lichtventile des Standes
der Technik kann durch die folgende Prozedur in ein Layout
transformiert werden, das für Lichtventile der vorliegenden
Erfindung geeignet ist. Im allgemeinen sind eines oder mehrere
der Lichtventile in einer solchen Weise positioniert, daß deren
Oberflächennormale durch den Mittelpunkt eines PBS hindurchgeht.
Es kann bewirkt werden, daß die Beleuchtungspolarisation in die
Orientierung gedreht wird, die für die Lichtventile der
vorliegenden Erfindung geeignet ist, indem das optische System um
diese Achse gedreht wird, d. h. indem das System um die
Oberflächennormale des Lichtventils um einen Winkel gedreht wird,
der gleich dem Torsionswinkel ist, z. B. 45°, wobei die
Orientierung des Lichtventils unverändert belassen wird. Das
zweite und das dritte Lichtventil werden dann vor den geeigneten
Seiten des rotierten optischen Systems neu positioniert, wobei
die Seiten durch die Rotation verschoben wurden, und sie sind in
einer solchen Weise orientiert, daß ihre Bilder sich mit jenem
des ersten Lichtventils überlagern, wenn sie durch die
Oberflächen des gedrehten optischen Systems transmittiert und von
diesen reflektiert werden. Diese Konfiguration ist äquivalent zum
Drehen jedes Lichtventils um seine Oberflächennormale, z. B. um
45°, und anschließendem Drehen des gesamten Systems um 45° in der
entgegengesetzten Richtung. Speziell dreht die Rotation der
Lichtventile das Bild, dann dreht die Rotation des gesamten
Systems das Bild zurück in die normale Richtung. Im allgemeinen
muß die Abmessung des Prismensystems derart vergrößert werden,
daß die Komponenten breit genug sind, um Strahlen zu sammeln,
welche sich über die Diagonalen der Lichtventile erstrecken.
Fig. 6 zeigt ein System, das von Burstyn et al. in dem SID
Symposium Digest of Technical Papers von 1994 auf Seite 677
veröffentlicht wurde und zur Verwendung in der vorliegenden
Erfindung ausgelegt werden kann. Das System ist unter 45°
orientiert, um zu den Kipprichtungen des Texas Instruments
Digital Micromirror Device (DMD) zu passen. Das System verwendet
Plumbicon-Prismen, um die Farben zu kombinieren. Zur Verwendung
in der vorliegenden Erfindung müssen die Prismen mit interner
Totalreflektion (TIR) 62 durch PBSs ersetzt werden.
Fig. 7 stellt eine Konfiguration eines optischen Systems der
vorliegenden Erfindung in der ersten bevorzugten Ausführungsform
dar. Die in Fig. 7 dargestellte Konfiguration beinhaltet ein
System, das um 45° um eine Achse 120 gedreht ist, welche die
Oberflächennormale für ein Lichtventil 110 ist. Wenngleich das
optische System gedreht ist, behalten die Kanten des Lichtventils
110 die nicht gekippte Orientierung bei, die in dem projizierten
Bild gewünscht ist. Eine Farbe wird von der
Beleuchtungseinrichtung abgetrennt und in einen PBS 122
hineingeführt, was die Beleuchtung für ein Lichtventil 124
bereitstellt. Die zwei verbliebenen Beleuchtungsfarben werden von
einem Dichroitelement 126 getrennt und in PBSs 128 und 130
hineingeführt, wodurch sie Lichtventile 110 und 132 beleuchten.
Die von den drei Lichtventilen reflektierten Bilder werden durch
ein x-Prisma 118 wieder zusammengeführt. Die Bilder werden in
einer gemeinsamen, nicht gekippten Orientierung überlagert.
Es können optische Konfigurationen ausgedacht werden, in denen
lediglich die PBS-Würfel gedreht werden, wodurch die hintere
Brennweite der Projektionslinse in der in Fig. 8 gezeigten Weise
reduziert wird. Ein Beleuchtungsstrahl 3000 mit weißem Licht wird
polarisiert, um durch einen polarisierenden Spiegel 3002
hindurchzutreten, der zum Beispiel aus einem DBEF-Film besteht.
Die Vorderseite 3006 eines x-Würfels 3004 ist mit einem Lambda-
Viertel-Retarder (quarterwave retarder) (QWP) und einem grünen
Dichroitelement beschichtet. Diese Beschichtungen reflektieren
die grüne Beleuchtung zu dem DBEF-Spiegel 3002 in einer
Polarisation zurück, die gedreht ist, damit sie von dem Spiegel
3002 auf dem Rückweg reflektiert wird. Das grüne
Beleuchtungslicht wird somit in ein PBS 3008 geführt, wenn es ein
Lichtventil 3010 beleuchtet. In der Zwischenzeit durchlaufen die
rote und die blaue Bildkomponente das grüne Dichroitelement 3006
und einen zweiten QWP, um durch die diagonalen Dichroitelemente
des x-Würfels 3004 getrennt zu werden. Sie werden dann durch
Spiegel 3012 und 3014 in PBSs 3028 und 3030 geführt, wenn sie
Lichtventile 3024 und 3032 beleuchten. Relaislinsen (relay
lenses) (nicht gezeigt) gleichen die Weglängen in den drei
Beleuchtungskanälen aus. Ein gestrichelter Umriß 3022 zeigt die
Orientierung, die der Beleuchtungsfleck (illumination patch)
entlang des Strahls 3000 einnehmen muß. Die doppelte Reflexion
(double bounce) in dem grünen Kanal ist notwendig, damit sich die
beleuchteten Bereiche nach einer Wiederzusammenführung durch den
x-Würfel 3018 die geeignete gemeinsame Orientierung teilen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung verwendet anstelle
eines PBS einen reflektierenden DBEF-Polarisator, um Eingangs-
und Ausgangsstrahlen zu trennen. DBEF-Filme besitzen ihre eigene
intrinsische Polarisationsachse. Wenn die Mehrschicht-
Hypothenusenbeschichtungen in den PBS-Würfeln eines herkömmlichen
Systems durch DBEF-Polarisatoren ersetzt werden, können somit die
DBEF-Filme innerhalb der Hypothenusenebene gedreht werden, um
ihre Durchlaßachsen in der gewünschten, z. B. der 45°-Orientierung
anzuordnen. Derartige DBEF-Filme können auch als Platten-
Polarisatoren in Luft fungieren.
In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird
anstelle von Strahlteilern eine Schräglichtbeleuchtung (oblique
illumination) verwendet, um Eingangs- und Ausgangsstrahlen zu
teilen. Fig. 9 ist ein Beispiel, das auch in der in gemeinsamem
Besitz befindlichen, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung
Nr. 09/085 065 (IBM-Aktenzeichen YO 998-054) von A. E. Rosenbluth
und K. C. Ho mit dem Titel "Lightvalve Projection System in Which
Red, Green, and Blue Image Subpixels Are Projected from Two
Lightvalves and Recombined Using Total Reflection Prisms"
offenbart ist und das ein von Strahlteilern verschiedenes
Strahlteilungselement illustriert. In Fig. 9 sind Lambda-Halbe-
Plättchen 618, 620 hinter Polarisatoren 612, 616 angeordnet, um
das System für Lichtventile 608, 610 der vorliegenden Erfindung
anzupassen, d. h. um eine Beleuchtung in der gewünschten
Polarisation mit einer Orientierung von z. B. 45° bereitzustellen.
Die AR-Beschichtung auf einem TIR-Prisma 614 muß phasengesteuert
sein, um eine Polarisations-Kreuzkopplung zu vermeiden.
Fig. 10 stellt ein weiteres bevorzugtes, eine
Schräglichtbeleuchtung bereitstellendes optisches System zur
Verwendung mit Lichtventilen der vorliegenden Erfindung dar. Das
in Fig. 10 gezeigte optische System ist in Proceedings of the
1998 Strategic Display Symposium von M. Bone et al., Seite 42
veröffentlicht. Ein weißer Lichtstrahl wird durch ein x-Prisma
1106 geteilt, um drei Lichtventile 1108a, 1108b, 1108c unter
schrägen Winkeln zu beleuchten. Das Licht ist durch das x-Prisma
1106 vorzugsweise S-polarisiert, ist jedoch durch ein Lambda-
Halbe-Plättchen 1102, das hinter dem Eingangspolarisator 1104
angeordnet ist, in die Orientierung von z. B. 45° gedreht, die für
Lichtventile der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Das
optische System von Bone et al. ist durch ein Lambda-Halbe-
Plättchen 1102 und durch ein Lambda-Halbe-Plättchen 1110 hinter
der die Sammlung analysierenden Polarisation modifiziert, welches
das reflektierte Bildlicht in die S-Polarisation zur
Zusammenführung in der oberen Hälfte des x-Prismas 1106
zurückbringt. Der x-Würfel verwendet vorzugsweise gradierte
Dichroitelemente, um eine Farbschattierung zu eliminieren, die
aus der divergenten Ausbreitung durch die Dichroit-Beschichtungen
entstehen würde.
Fig. 11 zeigt ein Layout, das die Elemente der in den Fig. 9
und 10 gezeigten Ausführungsformen kombiniert, die
Schräglichtbeleuchtung verwenden. Ein x-Würfel 4018 ist von der
"zweiteiligen" Art, wie in Fig. 10 gezeigt. TIR-Reflektionen
4040 und 4042 werden dazu verwendet, Licht schräg auf die
Lichtventile zu führen. Die Phasenverschiebung in den AR-
Beschichtungen auf den Oberflächen 4040 und 4042 müssen in
Verbindung mit Retardern bei 4044 und 4046 Polarisations-
Kreuzkopplung korrigieren.
Fig. 12 stellt eine weitere, mit der vorliegenden Erfindung
verwendete optische Konfiguration dar, um die Beleuchtung in die
gewünschte Orientierung von z. B. 45 Grad zu drehen. Wie gezeigt,
sind Lambda-Halbe-Rotatoren 1230, 1232, 1234 zwischen einem
herkömmlichen optischen System 1222 und den Lichtventilen 1224,
1226, 1228 der vorliegenden Erfindung angeordnet. Jedes
wellenplättchen (waveplate) weist typischerweise eine hohe
Präzision auf und ist über jedes Farbband hinweg achromatisiert,
so daß es keine Elliptizität in die Beleuchtungspolarisation
einbringt.
Noch eine weitere optische Konfiguration besteht aus einer
Torsionszelle, wie einer nematischen LC-Schicht, die im Maugin-
Limit arbeitet und die obigen Lamda-Halbe-Rotatoren 1230, 1232,
1234 ersetzen kann.
Noch eine weitere Konfiguration verwendet einen elektro-optischen
Rotator als Rotator 1230, 1232, 1234. Dies weist den Vorteil auf,
daß seine Doppelbrechung elektrisch eingestellt werden kann. In
Lichtventilen für Breitbandbetrieb, wie in farbsequentiellen
Systemen, ist das E-Feld der Rückebene nur entlang der
Reibrichtung für Wellenlängen in der Mitte des Spektrums präzise
polarisiert; für andere Wellenlängen ist die Polarisation anders
gedreht oder elliptisch. Diese spektrale Schwankung kann
teilweise durch Einstellen der Treiberspannung korrigiert werden,
die an den Rotator angelegt wird, basierend auf dem projizierten
Farbband.
Noch des Weiteren kann ein optisch aktives Medium als Rotator
1230, 1232, 1234 verwendet werden. Wenn das aktive Medium keine
Doppelbrechung aufweist (wie kristallines Natriumchlorat),
bringen kleine Variationen der Dicke lediglich kleine Änderungen
der Orientierung mit sich; Elliptizität wird nicht eingebracht.
Der Kontrast des Lichtventils ist gegenüber der induzierten
Rotation weniger empfindlich als gegenüber induzierter
Elliptizität der gleichen Amplitude.
Die zweite Klasse von Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung beinhaltet eine Modifizierung der Konfigurationen der
Pixelkanten. Bei den meisten Anwendungen sind die Pixel des
projizierten Bildes in Zeilen-Spalten-Weise abgesteckt, d. h. die
Bildpixel sind gleichmäßig entlang eines x-y-Gitters angeordnet.
Gewöhnlich sind die Schrittabmessungen in x- und y-Richtung
gleich. Herkömmlicherweise weisen die Spiegelelektroden eine
quadratische Gestalt auf, die zu jener von Bildpixeln paßt. Um
das reflektierende Gebiet zu maximieren, sind die Elektroden
ziemlich dicht beieinander angeordnet.
Es bleibt wünschenswert, das reflektierende Gebiet zu maximieren,
wenn die Elektrodenkanten unter Winkeln von z. B. 45° und 135°
orientiert sind, ungeachtet dessen, daß die Elektroden in dem
x,y-Gitter des Bildes abgesteckt sein müssen (d. h. entlang der
Achsen bei 0° und 90°). Dies hat ein gewisses Maß an Verzerrung
der Form der Pixelelektroden zur Folge, eine derartige Verzerrung
kann jedoch bei Hochauflösungsanwendungen toleriert werden, bei
denen die Dichte an Pixeln hoch ist; in derartigen Fällen kann
die Form einzelner Pixel nicht wahrgenommen werden. Fig. 1 zeigt
ein x,y-Gitter von Elektroden 1000, die aus sägezahnförmigen
Kanten, wie 1002, gebildet sind, die aus Segmenten bestehen, die
unter 45° und 135° orientiert sind. Säulen 1003 sind an den
Schnittpunkten von vier Paaren derartiger Segmente angeordnet.
Extremere Verzerrungen der Elektrodenform können in Fällen
erlaubt sein, bei denen die Pixeldichte sehr hoch ist, oder bei
Anwendungen, bei denen die angezeigten Bilder keine scharfen
Kanten mit hohem Kontrast enthalten, z. B. die angezeigten Bilder
natürlicher Szenen. Fig. 2a zeigt eine Anordnung von
Pixelelektroden, die von unter 45° und 135° orientierten Kanten
gebildet und für derartige Anwendungen geeignet ist. Elektroden
2101, 2201, 2301, . . . befinden sich in Spalte 1. Säulen 1003 sind
an den Schnittpunkten von vier Kantenpaaren angeordnet. Die
Fig. 2b, c, d illustrieren des Weiteren das Zeilen-Spalten-
Layout der Pixelelektroden von Fig. 2a.
Fig. 3 stellt ein alternatives Layout dieser Art dar. Wenn der
Torsionswinkel 45° beträgt und die Eingangspolarisation bei 0°
oder 90° orientiert ist, stellen die Strukturen der Fig. 1, 2,
3 Elektrodenkanten bereit, die geradlinig zu der Polarisation
verlaufen, welche die Rückebene des Lichtventils beleuchtet. Für
Fälle, in denen der Torsionswinkel nicht 45° beträgt, können
diese Layouts angepaßt werden, um zum Beispiel Segmente zu
beinhalten, die unter 54° und 144° orientiert sind. Für die
meisten Zwecke ist jedoch z. B. eine Fehlanpassung von 9°, die
zwischen einem elektrischen Feld der Rückebene bei einer
Orientierung von 54° und einer Elektrodenkante bei 45° entsteht,
nicht signifikant.
Aufgrund dieser Unempfindlichkeit ist es möglich, geringe
Justierungen der Orientierung von Elementkanten in den vorstehend
offenbarten Ausführungsformen vorzunehmen. Man betrachte zum
Beispiel die grundlegende Ausführungsform, bei der die Elektroden
quadratförmig sind und der eingangsseitige LC sowie die
einfallende Polarisation um z. B. 45° von der Geradlinigkeit mit
der vertikalen und der horizontalen Achse des Bildes weggedreht
sind, damit die Polarisation der Rückebene zu diesen Achsen
ausgerichtet ist. In dieser Ausführungsform brauchen die
Elektroden nicht perfekt quadratisch zu sein, da es nicht
notwendig ist, daß die Elektrodenkanten präzise unter 0° und 90°
orientiert sind; es ist lediglich eine ungefähre Geradlinigkeit
zu der Polarisation der Rückebene erforderlich. Fig. 4 zeigt
eine Ausführungsform, bei der eine Kante in jeder Elektrode 4002
leicht geneigt ist, um das reflektierende Pixel von dem gestörten
LC, der die Säulen 4004 umgibt, wegzuhalten. Alle Pixel erhalten
die gleichen Flächen, um eine Gleichmäßigkeit aufrechtzuerhalten.
Der Pfeil 402 zeigt die Reibrichtung an der Rückebene an. Der
Bereich des gestörten LC, der jede Säule 4004 umgibt, ist entlang
der Reibrichtung orientiert, so daß er über dem nicht-
reflektierenden, kerbenförmigen (notch-shaped) Gebiet 4006
zwischen den Elektroden 4002, 4008, 4010 und 4012 liegt.
Wenngleich die Erfindung speziell unter Bezugnahme auf eine
bevorzugte Ausführungsform derselben gezeigt und beschrieben
wurde, versteht es sich für einen Fachmann, daß die vorstehenden
und weitere Änderungen der Form und der Details darin vorgenommen
werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung
abzuweichen.
Claims (18)
1. Reflektierendes Lichtventil zum Bereitstellen eines
verbesserten Dunkelzustands, wobei das reflektierende
Lichtventil beinhaltet:
ein transparentes Substrat;
eine verdrehte, nematische Flüssigkristallschicht, die Flüssigkristallmoleküle mit einer Direktor-Achse aufweist; und
eine Rückebene, die von dem transparenten Substrat durch die verdrehte nematische Flüssigkristallschicht getrennt ist, wobei die Rückebene reflektierende Elektroden mit Kanten beinhaltet, die entweder parallel oder senkrecht zu der Direktor-Achse der Moleküle in der Flüssigkristallschicht sind, wenn die Direktor-Achse auf die Oberfläche der Rückebene projiziert wird.
ein transparentes Substrat;
eine verdrehte, nematische Flüssigkristallschicht, die Flüssigkristallmoleküle mit einer Direktor-Achse aufweist; und
eine Rückebene, die von dem transparenten Substrat durch die verdrehte nematische Flüssigkristallschicht getrennt ist, wobei die Rückebene reflektierende Elektroden mit Kanten beinhaltet, die entweder parallel oder senkrecht zu der Direktor-Achse der Moleküle in der Flüssigkristallschicht sind, wenn die Direktor-Achse auf die Oberfläche der Rückebene projiziert wird.
2. Reflektierendes Lichtventil nach Anspruch 1, wobei die
Moleküle in der verdrehten nematischen
Flüssigkristallschicht durch Reiben des transparenten
Substrats so orientiert sind, daß sie bezüglich einer
horizontalen oder vertikalen Kante der reflektierenden
Elektroden in einer ersten Richtung ausgerichtet sind, die
um einen Verdrehungswinkel aus der horizontalen oder
vertikalen Richtung gedreht ist, in der die Rückebene
gerieben ist.
3. Reflektierendes Lichtventil nach Anspruch 1, wobei die
Moleküle in der verdrehten nematischen
Flüssigkristallschicht und die Kanten der
Rückebenenelektroden durch Rotieren der Kanten der
Rückebenenelektroden so orientiert sind, daß sie zueinander
ausgerichtet sind.
4. Reflektierendes Lichtventil nach Anspruch 3, wobei die
Kanten der Rückebenenelektroden so gedreht sind, daß sie
unter 45 Grad und 135 Grad orientiert sind.
5. Reflektierendes Lichtventil nach Anspruch 1, wobei eine
ausgewählte Kante jeder Rückebenenelektrode geneigt ist.
6. Reflektierendes Lichtventil nach Anspruch 1, wobei die
reflektierenden Elektroden sägezahnförmige Kanten aufweisen.
7. Projektionssystem mit:
einem Beleuchtungssystem, das einem reflektierenden Lichtventil polarisiertes Licht zuführt;
einem reflektierenden Lichtventil, welches das polarisierte Licht von dem Beleuchtungssystem empfängt, wobei das reflektierende Lichtventil des Weiteren eine verdrehte nematische Flüssigkristallschicht aufweist, die das polarisierte Licht dreht, wenn das polarisierte Licht aus der Flüssigkristallschicht austritt,
wobei das reflektierende Lichtventil des Weiteren eine Rückebene auf einer Seite der Flüssigkristallschicht beinhaltet,
wobei die Rückebene reflektierende Elektroden beinhaltet, deren Kanten im Wesentlichen parallel oder senkrecht zu der gedrehten Polarisation sind, wenn das polarisierte Licht aus der Flüssigkristallschicht austritt.
einem Beleuchtungssystem, das einem reflektierenden Lichtventil polarisiertes Licht zuführt;
einem reflektierenden Lichtventil, welches das polarisierte Licht von dem Beleuchtungssystem empfängt, wobei das reflektierende Lichtventil des Weiteren eine verdrehte nematische Flüssigkristallschicht aufweist, die das polarisierte Licht dreht, wenn das polarisierte Licht aus der Flüssigkristallschicht austritt,
wobei das reflektierende Lichtventil des Weiteren eine Rückebene auf einer Seite der Flüssigkristallschicht beinhaltet,
wobei die Rückebene reflektierende Elektroden beinhaltet, deren Kanten im Wesentlichen parallel oder senkrecht zu der gedrehten Polarisation sind, wenn das polarisierte Licht aus der Flüssigkristallschicht austritt.
8. Projektionssystem nach Anspruch 7, wobei das
Beleuchtungssystem beinhaltet:
einen polarisierenden Strahlteiler mit kubischen Kanten, die zur geradlinigen Positionierung bezüglich einer Orientierung der Flüssigkristallschicht gedreht sind.
einen polarisierenden Strahlteiler mit kubischen Kanten, die zur geradlinigen Positionierung bezüglich einer Orientierung der Flüssigkristallschicht gedreht sind.
9. Projektionssystem nach Anspruch 7, wobei das
Beleuchtungssystem beinhaltet:
einen polarisierenden Strahlteiler mit Kanten, die unter einem vorgewählten Winkel zu dem reflektierenden Lichtventil orientiert sind.
einen polarisierenden Strahlteiler mit Kanten, die unter einem vorgewählten Winkel zu dem reflektierenden Lichtventil orientiert sind.
10. Projektionssystem nach Anspruch 9, wobei der vorgewählte
Winkel größer als null Grad ist.
11. Projektionssystem nach Anspruch 7, wobei das
Projektionssystem eine Mehrzahl der reflektierenden
Lichtventile enthält.
12. Projektionssystem nach Anspruch 11, wobei eines oder mehrere
der Mehrzahl der reflektierenden Lichtventile so
positioniert sind, daß die Oberflächennormale der
reflektierenden Lichtventile durch einen Mittelpunkt des
polarisierenden Strahlteilers hindurchgeht und das
Beleuchtungssystem unter einem vorgewählten
Orientierungsgrad um die Oberflächennormale gedreht ist.
13. Projektionssystem nach Anspruch 7, wobei das
Beleuchtungssystem beinhaltet:
einen reflektierenden DBEF-Polarisator zum Trennen von Eingangs- und Ausgangslichtstrahlen, wobei der reflektierende DBEF-Polarisator in einen vorgewählten Orientierungsgrad gedreht ist.
einen reflektierenden DBEF-Polarisator zum Trennen von Eingangs- und Ausgangslichtstrahlen, wobei der reflektierende DBEF-Polarisator in einen vorgewählten Orientierungsgrad gedreht ist.
14. Projektionssystem nach Anspruch 7, wobei das
Beleuchtungssystem beinhaltet:
eine Mehrzahl von strahlteilenden Elementen zum Trennen von Eingangs- und Ausgangslichtstrahlen; und
eine Mehrzahl von Lambda-Halbe-Plättchen, die zwischen der Mehrzahl von strahlteilenden Elementen und dem Lichtventil angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von Lamda-Halbe- Plättchen zum Erzeugen einer polarisierten Beleuchtung in einer vorgewählten Polarisierungsorientierung dient.
eine Mehrzahl von strahlteilenden Elementen zum Trennen von Eingangs- und Ausgangslichtstrahlen; und
eine Mehrzahl von Lambda-Halbe-Plättchen, die zwischen der Mehrzahl von strahlteilenden Elementen und dem Lichtventil angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von Lamda-Halbe- Plättchen zum Erzeugen einer polarisierten Beleuchtung in einer vorgewählten Polarisierungsorientierung dient.
15. Projektionssystem nach Anspruch 7, wobei das
Projektionssystem des Weiteren beinhaltet:
einen Lambda-Halbe-Rotator, der zwischen dem Beleuchtungssystem und dem Lichtventil angeordnet ist, wobei der Lambda-Halbe-Rotator zum Drehen des polarisierten Lichts in eine vorgewählte Orientierung dient.
einen Lambda-Halbe-Rotator, der zwischen dem Beleuchtungssystem und dem Lichtventil angeordnet ist, wobei der Lambda-Halbe-Rotator zum Drehen des polarisierten Lichts in eine vorgewählte Orientierung dient.
16. Projektionssystem nach Anspruch 7, wobei das
Projektionssystem des Weiteren beinhaltet:
eine Torsionszelle, die zwischen dem Beleuchtungssystem und dem Lichtventil angeordnet ist, wobei die Torsionszelle zum Drehen des polarisierten Lichts in eine vorgewählte Orientierung dient.
eine Torsionszelle, die zwischen dem Beleuchtungssystem und dem Lichtventil angeordnet ist, wobei die Torsionszelle zum Drehen des polarisierten Lichts in eine vorgewählte Orientierung dient.
17. Projektionssystem nach Anspruch 7, wobei das
Projektionssystem des Weiteren beinhaltet:
ein optisch aktives Medium, das zwischen dem Beleuchtungssystem und dem Lichtventil angeordnet ist, wobei das optisch aktive Medium zum Drehen des polarisierten Lichts in eine vorgewählte Orientierung dient.
ein optisch aktives Medium, das zwischen dem Beleuchtungssystem und dem Lichtventil angeordnet ist, wobei das optisch aktive Medium zum Drehen des polarisierten Lichts in eine vorgewählte Orientierung dient.
18. Projektionssystem nach Anspruch 7, wobei das
Projektionssystem des Weiteren beinhaltet:
ein elektro-optisches Medium mit einstellbarer Doppelbrechung, das zwischen dem Beleuchtungssystem und dem Lichtventil angeordnet ist, wobei das elektro-optische Medium zum Drehen des polarisierten Lichts in eine Orientierung dient, die für jede Farbe von polarisiertem Licht vorgewählt wird, das von dem Beleuchtungssystem empfangen wird.
ein elektro-optisches Medium mit einstellbarer Doppelbrechung, das zwischen dem Beleuchtungssystem und dem Lichtventil angeordnet ist, wobei das elektro-optische Medium zum Drehen des polarisierten Lichts in eine Orientierung dient, die für jede Farbe von polarisiertem Licht vorgewählt wird, das von dem Beleuchtungssystem empfangen wird.
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