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TWI826607B - 顯示系統、空間光調變器系統及顯示系統的形成方法 - Google Patents

顯示系統、空間光調變器系統及顯示系統的形成方法 Download PDF

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TWI826607B
TWI826607B TW108144770A TW108144770A TWI826607B TW I826607 B TWI826607 B TW I826607B TW 108144770 A TW108144770 A TW 108144770A TW 108144770 A TW108144770 A TW 108144770A TW I826607 B TWI826607 B TW I826607B
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尼古拉斯威廉 梅莉娜
泰利詹姆斯 謝弗
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美商思娜公司
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Abstract

一種顯示系統包含空間光調變器，且空間光調變器包含第一基板、第二基板以及位於第一基板和第二基板的液晶層。空間光調變器具有第一延遲長度和第一相位延遲之特徵且具有用於光傳播的第一慢軸。電壓源用以施加驅動電壓至空間光調變器且空間光調變器的第一延遲長度為驅動電壓的函數。延遲器位於空間光調變器外部且具有第二延遲長度和第二相位延遲之特徵。延遲器包含用於光傳播的第二慢軸。第二延遲長度的值使得一組照光波長中的所有照光波長在相位延遲值0.25以上或以下。這組照光波長包含至少三個不同色光譜的每個中的至少一照光波長。

Description

顯示系統、空間光調變器系統及顯示系統的形成方法
本發明係關於空間光調變器(Spatial Light Modulators，SLMs)(如顯示器、液晶顯示器(Liquid Crystal Displays，LCDs)、液晶微顯示器(Liquid Crystal Microdisplays)以及液晶空間光調變器)，其具有可獨立操作的像素。更特別地，本發明係針對例如為矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)空間光調變器或顯示器的空間光調變器，應用在但不限於是投影器、抬頭顯示器以及例如為頭戴式裝置的擴增實境(Augmented Reality，AR)、混合實境(Mixed Reality)及虛擬實境(Virtual Reality，VR)系統或裝置。
應用於取像的液晶空間光調變器包含使用鐵電液晶(Ferroelectric Liquid Crystal)的類型和使用向列型液晶(Nematic Liquid Crystal)的類型。向列型類型中的液晶可具有正或負介電異向性。負異向性類型一般具有較高對比度且較適於投影及近眼的應用，例如應用於AR和VR頭戴式裝置。使用有負介電異向性之液晶的空間光調變器使用包含垂直配向(Vertically Aligned Nematic，VAN)顯示模式和扭轉垂直配向(Twisted Vertically Aligned Nematic，TVAN)顯示模式的電光模式(Electro-Optic Mode)。扭轉垂直配向描述於美國專利號8,724,059和 9,551,901中，其透過引用併入本文。
習知從反射式液晶空間光調變器觀看影像的光學設計使用線性偏光與金屬線(Wire-grid)柵型和MacNeille-cube型的偏光分光器(Polarizing Beam Splitters，PBS)相結合以達成高對比度影像。使用這些類型的偏光分光器的缺點是它們佔用相對較大的體積，使得難以獲得用在AR和VR頭戴式裝置流線和小型的產品設計。此外，已知偏光分光器的使用會降低影像亮度、增加動態切換時間，且增加相鄰像素間邊緣場效應的可見性，特別是在具有短像素間距的高解析度空間光調變器裝置中。
為了克服這些使用偏光分光器設計的不足，Kuan-Hsu Fan-Chiang、Shu-Hsia Chen和Shin-Tson Wu在應用物理學快報(Applied Physics Letters,Volume 87,pp.031110-1 to 031110-3(2005))中說明了一種不使用偏光分光器的光學設計。其垂直配向模式矽基液晶空間光調變器受到寬帶(Broadband)圓偏光(Circular Polarization，CP)照射(例如取代線性偏光)以克服長久存在的清晰度差、亮度低和響應時間慢的問題。Chiang et al.出版物沒有介紹電光(Electro-optic，EO)曲線，也沒有給出照明波長。此外，作者僅考慮了圓偏光器的一個方向。
本領域通常知識者可瞭解寬帶圓偏光可由具有偏光軸平行或垂直於寬帶圓偏光器之輸入軸的線性偏光器產生。寬帶圓偏光亦可由具有偏光軸與寬帶四分之一波片(Quarter-Wave Plate，QWP)的慢軸設置成±45度角的線性偏光器產生，其包含具有多個雙折射層的延遲器。
相位延遲(φ)為一無因次的量，定義為延遲長度(Γ)除以照光 波長λ(亦即φ=Γ/λ)。延遲長度Γ為通過雙折射材料後之入射光的快光(Fast Ray)的波前和慢光(Slow Ray)的波前之間的距離。
實際市售之寬帶四分之一波片並非理想的寬帶四分之一波片。舉例來說，日商帝人株式會社(Teijin,Ltd.,Tokyo,Japan)供應一種FM-143單層寬帶四分之一波片。FM-143寬帶四分之一波片的相位延遲之波長分布曲線繪示於圖2。由圖2可見，在波長短於555奈米時相位延遲φ大於0.25，但在波長長於555奈米時相位延遲φ小於0.25。將可見的是，相位延遲φ從0.25的偏差對於電光曲線的形狀及對比度有顯著的影響。
圖3和圖4繪示了本發明基於Kuan-Hsu Fan-Chiang出版物中說明的方法所做之電腦模擬。這些628奈米紅光波長、513奈米綠光波長和453奈米藍光波長的電光曲線是分別繪示於線性和對數通過率(Throughput)的刻度。通過率為假定線性偏振輸入光、具有透射比為1和0的理想偏光器以及具有反射比為1的理想反射器的反射係數。
於此，FM-143寬帶四分之一波片的慢軸定向為垂直於垂直配向模式空間光調變器的慢軸，其平行於在空間光調變器之透明的第一基板和反射的第二基板二者的內表面上的表面接觸液晶指向矢(Surface-Contacting液晶指向矢)的方位對準方向。對數刻度的圖4中藍色和綠色照光的電光曲線顯示出在驅動電壓下近於零而非零的通過率最小值，而紅色照光的電光曲線則未如此顯示。
在藍色和綠色照光的電光曲線中近於零的通過率最小值可被用來達成對比度大於2000。尤其，驅動電壓的值被設定為或接近於達到在藍和綠照光顏色的電光曲線中近於零通過率最小值的電壓以達到暗像素。 為實現在灰階連續光譜的亮像素，驅動電壓的值被設定成大於為達到近於零通過率最小值的電壓。
暫參圖3和圖4，其橫軸為從0至10伏特的連續電壓。像素在對應於近於零的通過率最小值的電壓是處於其最暗狀態。透過在通過率增加的連續區域上施加高於此近於零的通過率最小值電壓的電壓以實現灰度等級(Gray Level)。
然而，對於紅色照光，在電光曲線中沒有近於零的通過率最小值，且對比度僅約為50。對比度是定義為在電光曲線中最大通過率除以通過率最小值的比值。
類似地，圖5和圖6中在FM-143寬帶四分之一波片的慢軸被定向為平行於垂直配向模式空間光調變器的慢軸下，其中電光曲線是繪示於線性和對數刻度。對數刻度的圖6中紅色照光電光曲線的通過率顯示出在驅動電壓下近於零而非零的通過率最小值。相較下，藍色和綠色照光電光曲線則未顯示在驅動電壓下近於零而非零的通過率最小值。
透過採用在紅色照光電光曲線中近於零的通過率最小值，紅色對比度可以超過2000。然而，由於藍色和綠色照光在電光曲線中沒有近於零的通過率最小值，故藍色和綠色照光的對比度為不令人滿意地分別低於110和210。因此，寬帶四分之一波片不適合對於所有照光波長要求高品質及全彩影像之高對比需求(如大於2000)的應用。
本發明維持寬帶四分之一波片方法之相關技術的優點的包含小型流線設計、短動態切換時間，以及像素間缺陷幾乎不可見的優點。此外，本發明克服無法實現對於所有照光波長高對比度的要求以達高對比 及全彩運行的缺點。
根據本發明的一種系統，包含位於空間光調變器(如反射式液晶顯示器之顯示器或反射式矽基液晶顯示器之矽基液晶顯示器)外部的一個或多個延遲器。延遲器產生對於用於形成彩色影像(如全彩影像)的至少三個照光波長為大於0.25的相位延遲φ。舉例來說，相位延遲φ在0.26和0.40(包括0.26和0.40)之間變化。
或者，延遲器產生對於用於形成彩色影像(如全彩影像)的至少三個照光波長為小於0.25的相位延遲。舉例來說，相位延遲在0.10和0.24(包括0.10和0.24)之間變化。
在本發明的一實施例中，至少三個照光波長包含對應至少紅色、綠色和藍色的波長，但亦可包含其他例如為黃色的顏色之波長。舉例來說，在本發明的一實施例中，位於空間光調變器外部的一個延遲器或具有不同延遲長度Γ的多個延遲器的結合產生對於所有照光波長為大於或小於0.25的相位延遲φ。照光波長用來獲得影像，其包含例如為全彩影像的彩色影像。
在本發明的一實施例中，外部延遲器的相位延遲φ對於三個不同的照光波長或顏色為大於0.25。舉例來說，在本發明的一實施例中，不同的照光波長或顏色其例如為對應紅色、綠色和藍色照光波長帶(亦即625~740奈米的紅色波長帶、500~565奈米的綠色波長帶，又及450~485奈米的藍色波長帶)中各自的一波長的照光波長，用於例如為全彩顯示器的一顯示器中。因此，在這些波長下任何入射在空間光調變器的光不是被圓偏振(如0.25之相位延遲產生圓偏振光)。本領域通常知識者可理解的是， 照光例如亦可包含黃色照光。
在一實施例中，延遲器的慢軸為配置成垂直於或實質上垂直於例如為垂直配向或扭轉垂直配向空間光調變器的一空間光調變器的慢軸。在對空間光調變器施加零伏特下，空間光調變器的延遲長度Γ的任何殘餘值(如透過液晶空間光調變器內的表面接觸指向矢的預傾角引入)從外部延遲器產生的延遲長度Γ中減去。於此，由空間光調變器和延遲器產生之結合的相位延遲φ可大於0.25，從而導致非零的通過率。當施加於空間光調變器的電壓從零增加時，空間光調變器的延遲長度Γ增加且從外部延遲器的延遲長度Γ減去直到達到延遲器和空間光調變器之結合的相位延遲φ等於0.25之處。在此處，因為輸入偏振旋轉90度且在反射時被吸收入偏光器，這個結合的通過率為零。當電壓進一步增加，因為偏振旋轉不再是90度，結合的相位延遲φ隨著通過率的增加同時從0.25降低。
因此，在零伏特下通過率不為零。在結合的相位延遲φ為0.25的電壓下，通過率下降至一近於零的最小值，且接著在較高的電壓下再度增加(如高於在近於零的通過率最小值發生處的電壓)。使用這種的電光曲線，可藉由設定像素驅動電壓為或接近於在電光曲線中近於零的通過率最小值發生處的電壓以達到暗像素來實現高通過率和對比度(例如大於2000)。像素驅動電壓增加為高於近於零的通過率最小值發生處的電壓以實現亮度增加的像素灰度等級。對比度定義為在電光曲線中最大通過率除以在近於零最小值的通過率的比值。
在本發明另一實施例中，外部延遲器的相位延遲φ對於用於彩色顯示器(如全彩顯示器)的紅色、綠色和藍色波長為小於0.25，其代表 在這些波長下入射於矽基液晶成像單元的光不是被圓偏振(如0.25之相位延遲產生圓偏振光)。在本實施例中，延遲器的慢軸係配置為平行或實施上平行於垂直配向或扭轉垂直配向空間光調變器的慢軸。在施加零伏特下，透過在液晶空間光調變器內表面接觸指向矢的非90度預傾角引入的空間光調變器的殘餘的延遲長度Γ加在外部延遲器的延遲長度。於此，延遲器和空間光調變器的結合的相位延遲φ可小於0.25，從而導致非零的通過率。
當施加於空間光調變器的電壓從零增加時，空間光調變器的延遲長度Γ空間光調變器的延遲長度Γ增加且加在外部延遲器的延遲長度Γ直到達到延遲器和空間光調變器的結合的相位延遲φ等於0.25之處。在此處，因為輸入偏振旋轉90度且在反射時被吸收入偏光器，這個結合的通過率為零。當電壓進一步增加，因為偏振旋轉不再是90度，結合的相位延遲φ隨著通過率的增加同時從0.25提升。
因此，在零伏特下通過率不為零。在結合的相位延遲φ為0.25的電壓下，通過率下降至一近於零的最小值，且接著在較高的電壓下再度增加。使用這種的電光曲線，可藉由設定像素驅動電壓為或接近於在電光曲線中近於零的通過率最小值發生處的電壓以達到暗像素來實現高通過率和大於2000的對比度。
前述內容已概括地描述了各種實施例的一些觀點和特徵，其應被解釋為僅說明本發明的各種潛在應用。其他有益的結果可以透過以不同的方式應用所揭露的資訊或透過組合所揭露的實施例的各個觀點獲得。因此，除了由申請專利範圍所限定的範圍之外，透過結合圖式參考示例性實施例的詳細描述，可以獲得其他觀點和更全面的理解。
10:空間光調變器顯示系統
100:線性偏光器
110:抗反射塗層
120:照光
140:反射的光
160:光軸
180:反射光
200:外部延遲器
220、340、320:慢軸
300:反射式空間光調變器
302:第一對準層
304:第二對準層
306:液晶材料層、液晶層
308:表面接觸液晶指向矢
309:非表面接觸液晶指向矢
310:預傾角
311:傾角
312:第一電極
314:第二電極
316:電壓源
317:電壓
318:基板層
319:基板層
400:光源
Γ:延遲長度
500:顯示系統的形成方法
510:第一步驟
520a、520b:第二步驟
530a、530b:第三步驟
圖1為根據本發明所述的空間光調變器顯示系統的立體展開示意圖。
圖2繪示先前技術之寬帶四分之一波片的相位延遲φ的波長分布曲線。
圖3為使用先前技術具有垂直配向模式且其中延遲器的慢軸與空間光調變器的慢軸彼此垂直的空間光調變器的寬帶四分之一波片模擬453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於線性刻度的電光曲線。
圖4為使用先前技術具有垂直配向模式且其中延遲器的慢軸與空間光調變器的慢軸彼此垂直的空間光調變器的寬帶四分之一波片模擬453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於對數刻度的電光曲線。
圖5為使用先前技術具有垂直配向模式且其中延遲器的慢軸與空間光調變器的慢軸彼此平行的空間光調變器的寬帶四分之一波片模擬453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於線性刻度的電光曲線。
圖6為使用先前技術具有垂直配向模式且其中延遲器的慢軸與空間光調變器的慢軸彼此平行的空間光調變器的寬帶四分之一波片模擬453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於對數刻度的電光曲線。
圖7繪示根據本發明一示例性實施例之166奈米延遲器的相位延遲的波長分布曲線以及根據本發明一示例性實施例之107奈米延遲器的相位延遲的波長分布曲線。
圖8為根據本發明一示例性實施例之具有垂直配向模式的空間光調變器使用166奈米延遲器模擬之453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於線性刻度的電光曲線。
圖9為根據本發明一示例性實施例之具有垂直配向模式的空間光調變器使用166奈米延遲器模擬之453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於對數刻度的電光曲線。
圖10為根據本發明一示例性實施例之具有垂直配向模式的空間光調變器使用107奈米延遲器模擬之453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於線性刻度的電光曲線。
圖11為根據本發明一示例性實施例之具有垂直配向模式的空間光調變器使用107奈米延遲器模擬之453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於對數刻度的電光曲線。
圖12為根據本發明一示例性實施例之具有90度扭轉垂直配向模式的空間光調變器使用166奈米延遲器模擬之453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於線性刻度的電光曲線。
圖13為根據本發明一示例性實施例之使用在具有90度扭轉垂直配向模式的空間光調變器中的166奈米延遲器模擬之453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於對數刻度的電光曲線。
圖14為根據本發明一示例性實施例之使用在具有90度扭轉垂直配向模式的空間光調變器中的107奈米延遲器模擬之453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於線性刻度的電光曲線。
圖15為根據本發明一示例性實施例之使用在具有90度扭轉垂直配向模式的空間光調變器中的107奈米延遲器模擬之453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於對數刻度的電光曲線。
圖16為根據本發明一示例性實施例之使用在垂直配向模式的空間光調變器中相位延遲φ固定為0.26的延遲器模擬之453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於線性刻度的電光曲線。
圖17為根據本發明一示例性實施例之使用在垂直配向模式的空間光調變器中相位延遲φ固定為0.26的延遲器模擬之453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於對數刻度的電光曲線。
圖18為根據本發明一示例性實施例繪示一示例性之顯示系統的形成方法之流程圖。
根據要求，在此揭露詳細的實施例。必須理解的是，所揭露的實施例僅是不同和替代形式的示例。如本文中所使用的，“示例性”一詞是廣泛地用於指代用做圖示、樣本、模型或圖案的實施例。圖式不一定按比例繪製，並且某些特徵可能被放大或縮小以示出特定組件的細節。在其他情況下，沒有詳細描述本領域通常知識者已知的習知組件、系統、材料或方法，以避免使本揭露內容不清楚。因此，本文揭露的具體結構和功能細節不應解釋為限制性的，而僅僅是作為申請專利範圍的基礎和做為教示 本領域通常知識者的代表基礎。
根據本發明的一種系統，其包含位於一空間光調變器外部的具有延遲長度Γ的一個延遲器或多個延遲器的結合。延遲器或多個延遲器的結合產生對於所有照光波長的一相位延遲φ，其對於所有照光波長為大於0.25或對於所有照光波長為小於0.25。照光波長產生影像。舉例而言，影像例如是全彩影像的彩色影像。
根據本發明的一種系統，空間光調變器例如為反射式液晶顯示器的一液晶顯示器。
圖1為根據本發明所述的空間光調變器顯示系統10的立體展開示意圖。在本發明的一實施例中，一空間光調變器顯示系統10包含一線性偏光器100、一外部延遲器200以及一反射式空間光調變器300。來自一光源400的紅色、綠色和藍色照光120可被引導到空間光調變器顯示系統10的像素，使得來自一個或多個光源的照光可被至少一部分像素或所有像素以時間順序的方式(例如係以紅光被導引一段時間，接著綠光可被導引一段時間，且接著藍光可被導引一段時間的順序)接收。可以理解的是，可以採用這些顏色的其他種順序。照光120入射至線性偏光器100且在通過線性偏光器100時沿著偏光軸160線性偏振。
此偏振光繼而入射至其平面上慢軸220與入射偏振方向或偏光軸160成正45度角(或實質上正45度角)的外部延遲器200。在通過延遲器200時，此線性偏振光轉換為橢圓偏振光，而不是圓偏振光，其入射於空間光調變器300。圓偏振光可在45度角及0.25之相位延遲產生。在相位延遲為不同於0.25時，光將被橢圓偏振。
在一實施例中，空間光調變器300其平面上慢軸340的方向垂直(或實質上垂直)於外部延遲器200的慢軸220的方向，且延遲器具有對於所有照光波長為0.25以上的一相位延遲值。在另一實施例中，空間光調變器300其平面上慢軸320的方向平行(或實質上平行)於外部延遲器200的慢軸220的方向，且延遲器具有對於所有照光波長為0.25以下的一相位延遲值。
從空間光調變器300反射的光140以相反的方向再次通過外部延遲器200和偏光器100，其中反射光180自偏光器100顯出或出射以被眼睛或其他偵測器感測。反射光180的強度取決於施加在空間光調變器300上各別像素的電壓。
詳細來說，參照圖1，空間光調變器300包含一第一對準層302、一第二對準層304以及位於第一對準層302和第二對準層304之間的一液晶材料層306。液晶層306包含在第一對準層302和第二對準層304上的多個表面接觸液晶指向矢308以及位於液晶層306主體上的非表面接觸液晶指向矢309。這些表面接觸指向矢308具有例如為根據對準層302和304之預先設定方向的方位對準方向。舉例來說，這些預先設定方向可以由傾斜方向上沉積在表面上的材料、傾斜入射且偏振的UV光照射的表面上的光敏材料，或用絲絨狀的布單向摩擦表面來生成。
在垂直配向模式中，空間光調變器300的慢軸平行於表面接觸液晶指向矢308的方位對準方向(如45度)。在扭轉垂直配向模式中，空間光調變器300的慢軸平行於將表面接觸指向矢308的方位對準方向(如0度和90度)分為二的一線。雖然液晶層在下方的對準層304和上方的對準 層302各包含多個表面接觸液晶指向矢，然為了便於繪示，僅在下方的對準層304上示出一個表面接觸液晶指向矢。類似地，液晶層306的主體(如除了對準層302和304外的內部和中間部)在液晶層306的整個厚度上包含多個指向矢。
此外，表面接觸液晶指向矢308具有一預傾角310的特徵。預傾角310和在液晶層306主體中的指向矢309的傾角311判斷空間光調變器300的延遲長度Γ。根據一實施例，液晶材料306具有負介電異向性。
此外，空間光調變器300包含多個像素電極，其包含連接於一電壓源316的一第一電極312以及一第二電極314。電壓源316用以對電極312和314提供一電壓317，且從而施加一電壓317通過空間光調變器300的第二電極314的各個像素的液晶層306。通過液晶層306的電壓317改變液晶層306主體中的指向矢309的傾角311並從而改變空間光調變器300的整體延遲長度Γ。電壓源316儲存預定的電壓或者以其他方式生成對於各波長和像素與暗態和亮態相關的電壓。
空間光調變器300更包含在電極312和314外的基板層318和319。詳細來說，基板層318係在電極312上方，且基板層319係在電極314下方。
如以下進一步詳細描述，對於各別像素的電光曲線係可透過與非零波長相關的驅動電壓317運作。對於各波長之斷開狀態或暗狀態與波長相關的驅動電壓317被確定為在對於該波長之通過率的電光曲線具有一最小值，近於零(如小於0.001)通過率值處之電壓。高於斷開狀態與波長相關的驅動電壓的導通狀態或亮狀態與波長相關的像素驅動電壓317被施 加於各個像素以增加像素通過率並提供灰度等級。
因此，對於自光源400接收的一照光波長，各像素藉由對應於該照光波長的一導通狀態波長相關的驅動電壓317或一斷開狀態波長相關的驅動電壓317來控制。
對於本領或通常知識者來說為顯而易見的是，偏光器100、延遲器200和空間光調變器300(例如繪示於圖1中的矽基液晶空間光調變器)僅為根據本發明的一光學結構示例。舉例來說，外部延遲器200的慢軸220亦可與入射偏振方向或偏光軸160成負45度角(或實質上負45度角)。為了抑制可能導致或加劇對比度降低之從光源400前表面的反射，偏光器100和延遲器200可在一側或兩側沉積有抗反射塗層110，且空間光調變器300可在其基板層318的頂面具有一抗反射塗層110。或者，元件100、200和300中的二者(甚或三者全部)可選擇性地耦合，舉例來說，層壓在一起，以減少在交界處的反射。
為了清楚起見，例如為鏡片、稜鏡和鏡子之相關光學元件並未繪示於圖1中。根據本發明的一實施例，紅色、綠色和藍色光源400或者用於全彩作用的光源可包含固態全彩二極體、發光二極體(如有機發光二極體)、固態雷射且氣體雷射，和/或其他例如為從氙、金屬鹵化物或鎢鹵素燈過濾的光的電磁輻射的光源。若光源已線性偏振，例如一些氣體雷射和固態雷射二極體的案例，則在入射照光路徑中的偏光器可省略而在反射路徑中保留一偏光器。在這樣的實施例中(入射照光路徑中的偏光器省略而在反射路徑中保留偏光器的實施例)，在反射路徑中的偏光器的偏振方向平行於或實質上平行於入射光源的偏振方向。
外部延遲器-延遲性的選取
如下所述，具有一選取延遲性的一外部延遲器可改善空間光調變器顯示系統的性能。外部延遲器的延遲性的選取係參考圖7進行討論。
圖7繪示根據本發明一實施例之166奈米外部延遲器200的相位延遲φ的波長分布曲線以及根據本發明另一實施例之107奈米外部延遲器200的相位延遲的波長分布曲線。
相位延遲φ為一無因次的量，其特徵為傳播通過一雙折射層或多個雙折射層組合的光線的快軸和慢軸之間的相位差，且其定義為延遲長度Γ除以照光波長λ(即φ=Γ/λ)。延遲長度為通過一雙折射材料或多個雙折射材料組合後之入射偏振光的快光的波前和慢光的波前之間的距離。
在一實施例中，外部延遲器200具有一延遲長度Γ值，其大於傳輸至空間光調變器300的電磁輻射(例如光)之最長波長的四分之一(且例如為小於或等於175奈米)。舉例來說，若最長照光波長為628奈米的紅光波長，則在所述波長下，外部延遲器200的延遲長度Γ應大於628/4奈米，即157奈米。以此對應本發明一實施例為示例繪示於圖7，其中由外部延遲器200完成的延遲長度Γ為166奈米且由外部延遲器200接收的最長波長為628奈米的紅光波長。舉例來說，延遲長度Γ值是在最長波長的四分之一至175奈米的範圍中。在圖7中，對於具有為166奈米的一延遲長度Γ值的外部延遲器200，相位延遲φ對於453奈米波長、513奈米波長和628奈米波長的每個為大於0.25。本領域通常知識者可理解的是，波長和延遲長度可交替選擇以使外部延遲器200的延遲長度Γ具有一相位延遲φ其對於不同顏色的至少三個波長為大於0.25。舉例來說，外部延遲器 200的延遲長度Γ係根據將由上述光源400產生的一最長波長來選擇。
在另一實施例中，外部延遲器200具有一延遲長度Γ值，其小於用於顯示器照光的最短波長的四分之一(且例如為大於或等於100奈米)。舉例來說，若最短照光波長為453奈米的藍光波長，則外部延遲器200的延遲長度Γ應小於453/4奈米，即113.25奈米。以此為示例繪示於圖7，其中由外部延遲器200完成的延遲長度為107奈米且最短波長為453奈米的藍光波長。舉例來說，延遲長度Γ值是在100奈米至最短波長的四分之一的範圍中。在圖7中，對於具有為107奈米的一延遲長度Γ值的外部延遲器200，相位延遲φ對於453奈米波長、513奈米波長和628奈米波長的每個為小於0.25。本領域通常知識者可理解的是，波長和延遲長度可交替選擇以使外部延遲器200的延遲長度Γ具有一相位延遲φ其對於不同顏色的至少三個波長為小於0.25。舉例來說，外部延遲器200的延遲長度Γ係根據將由上述光源400產生的一最短波長來選擇。
下表1列出至少三個波長的相位延遲φ做為本發明實施例的示例。舉例來說，本發明一實施例包含具有166奈米的一延遲長度Γ的一外部延遲器200，且另一實施例包含具有107奈米的一延遲長度Γ的一外部延遲器200。應注意的是，相位延遲φ在包含具有166奈米的一延遲長度Γ的一外部延遲器200的實施例中對於全部三個波長λ為大於0.25，且在包含具有107奈米的一延遲長度Γ的一外部延遲器200的實施例中對於全部三個波長為小於0.25。
表1
Figure 108144770-A0305-02-0020-1
列於上表1的本發明實施例中，藍光、綠光和紅光波長係分別選擇為453奈米、513奈米和628奈米。對於本領或通常知識者來說為顯而易見的是，亦可採用其他具有藍、綠和紅色光的波長，且亦可增加其他例如但不限於是黃色的顏色以增加全彩顯示器的色域。
相位延遲差Δφ為外部延遲器200組合的相位延遲φ與0.25的相位延遲φ(即光在0.25的一相位延遲φ下圓偏振)之間的差。相位延遲差Δφ在外部延遲器200的延遲長度Γ為166奈米的實施例中為正，且在外部延遲器200的延遲長度Γ為107奈米的實施例中為負。在本發明的一實施例中，根據本發明的一空間光調變器(例如一顯示器)對於例如為三個波長的所有波長實現2000或以上的高對比度，當相位延遲差Δφ的量值(即|Δφ|)對於全部三個波長為等於或大於0.01時，此|Δφ|值實現或確保相位延遲對於為166奈米之外部延遲器200的所有波長為0.25以上，或對於為107奈米之外部延遲器200的所有波長為0.25以下。
空間光調變器顯示系統之改善的性能-在電光曲線中的最小通過率
使用具有在一空間光調變器顯示器裝置中如上述所選取的一延遲性的一外部延遲器使空間光調變器顯示系統的性能改善，其可透過觀看空間光調變器顯示系統的電光曲線來證實。電光曲線示出了對於來自光源400的一波長的空間光調變器顯示系統10的通過率為電壓源316所 施加電壓的一函數。對比度定義為電光曲線的最大通過率除以電光曲線的通過率在電光曲線中近於零(例如小於0.001)的通過率最小值之比值。
模擬可藉由商用套裝軟體來進行，例如LCDBench Version 6.42和Analyzer Version 6.60，二者皆可從Shintech,Tokyo,Japan取得。在本發明的一實施例中，一空間光調變器的一單元間隙(亦即第一和第二對準層302和304朝向液晶層306像素的表面之間的距離)為0.9微米；液晶雙折射係數Δn在453奈米下為0.2206，在513奈米下為0.2016，且在628奈米下為0.1859；預傾角為84度；光為垂直地入射；且反射器和偏光器為理想反射器和偏光器。
對於本發明中所有的模擬，包含那些繪於圖3至圖6中對先前技術模擬的電光曲線，矽基液晶單元間隙為0.9微米，且液晶雙折射係數Δn在453奈米下為0.2206，在513奈米下為0.2016，且在628奈米下為0.1859。預傾角(亦即在空間光調變器300內的液晶層306的表面接觸指向矢308與空間光調變器300的平面所成之角度310)從空間光調變器300的平面量測為84度。這些模擬以垂直入射光進行且假定一理想100%反射器及一理想偏光器100。本領域通常知識者可理解的是，此僅為用來代表本發明之多個示例中所選的一個。舉例來說，在本發明實施例中，單元間隙可依據所用液晶的折射率在0.5微米至3.0微米之間改變(包含0.5微米和3.0微米)；且預傾角限制可在89度至75度之間改變(包含89度和75度)。
圖8和圖9為根據本發明一實施例模擬之453奈米藍光波長、513奈米綠光波長和628奈米紅光波長繪製於線性和對數刻度的電光 曲線，其中外部延遲器200具有166奈米的一延遲長度Γ且其慢軸220定向為垂直於垂直配向模式空間光調變器300的慢軸340。
為對數刻度的圖9示出空間光調變器顯示系統10的一示例性實施例對於全部三個顏色在電光曲線中近於零的通過率最小值為小於0.00001。這些對於照光顏色為0.001以下近於零的通過率最小值係透過本發明實現，例如本發明所採用的例如上述具有166奈米的延遲長度Γ的一延遲器200，且其在使用外部寬帶四分之一波片的現有技術方案中不存在。(如圖4和圖6所示，其僅示出一些通過率最小值在0.001以下)。
圖10和圖11為根據本發明一實施例之包含具有107奈米的一延遲長度Γ的一外部延遲器200的空間光調變器顯示系統10繪製於線性和對數刻度的模擬的電光曲線，其中外部延遲器200的慢軸220定向為平行於垂直配向模式空間光調變器300的慢軸320。
為對數刻度的圖11示出根據本發明的空間光調變器顯示系統10的一示例對於全部三個顏色(亦即紅、藍和綠)在電光曲線中近於零的通過率最小值為小於0.00001。這些對於所有照光顏色為0.001或小於0.001的近於零的通過率最小值係為本發明的特徵，且其在使用外部寬帶四分之一波片的現有技術方案中不存在。
圖12和圖13為根據本發明一實施例之繪製於線性和對數刻度的模擬的電光曲線，其中外部延遲器200具有為166奈米的一延遲長度Γ且其慢軸220定向為垂直於一90度扭轉垂直配向模式空間光調變器300的慢軸340。對於電腦模擬，扭轉垂直配向模式的慢軸340平行於在空間光調變器300的對準層302和304上的方位對準方向的等分線。
為對數刻度的圖13示出在電光曲線中對於全部三個顏色近於零的通過率最小值為小於0.00014。這些對於所有照光顏色的通過率最小值為本發明的特徵，且其在使用外部寬帶四分之一波片的現有技術方案中不存在。
圖14和圖15為根據本發明一扭轉垂直配向實施例之繪製於線性和對數刻度的模擬的電光曲線，其中外部延遲器200具有為107奈米的一延遲長度Γ且其慢軸220定向為平行於一扭轉垂直配向模式空間光調變器300的慢軸340。
為對數刻度的圖15示出在電光曲線中對於全部三個顏色近於零的通過率最小值為小於0.0001。這些對於所有照光顏色的通過率最小值為本發明的特徵，且其在使用外部寬帶四分之一波片的現有技術方案中不存在。
暗狀態和亮狀態的驅動電壓
在一實施例中，液晶顯示器10可透過驅動電壓317運作以維持液晶顯示器10的各別像素對於各照光波長在一斷開狀態中。在一電光曲線中對於各照光波長存在零或近於零的通過率最小值處的電壓下，液晶顯示器10係處於斷開狀態。
液晶顯示器10亦可透過一驅動電壓317運作和/或操作以維持液晶顯示器10的各別像素對於各照光波長在一運作狀態(ON State)中。在電壓為停止狀態(OFF State)電壓之上的情況，液晶顯示器係處於運作狀態中。
在本發明的實施例中，電光曲線中的通過率最小值在結合的 相位延遲φ為0.25處之電壓發生。外部延遲器的延遲長度和空間光調變器的延遲長度的結合在近於零的通過率最小值處的電壓下產生圓偏振。此在對於各照光波長的不同電壓下發明。相較下，如上述具有選取的延遲性的外部延遲器在用於確定所選延遲性的波長處產生橢圓偏振。
在本發明圖11和圖15的實施例中，液晶層306的延遲長度Γ被加在外部延遲器200的延遲長度Γ以實現為0.25的結合的相位延遲φ。為了實現對於給定的顏色大於2000的對比度，根據本發明的例如為一矽基液晶空間光調變器的一空間光調變器以一像素驅動電壓317驅動。根據本發明所述之矽基液晶空間光調變器的像素驅動電壓317係為或接近在電光曲線中近於零的通過率最小值發生處之電壓，以實現一暗像素(例如一停止狀態)。在本發明的一實施例中，像素驅動電壓317被增加至斷開狀態電壓之上以實現增加亮度的像素灰度等級。
在本發明圖9和圖13的實施例中，液晶層306的延遲長度Γ從外部延遲器200的延遲長度Γ減去以得為0.25的結合的相位延遲φ。為了實現對於給定的顏色大於或等於2000的對比度，矽基液晶顯示器10以一像素驅動電壓317驅動。像素驅動電壓317係為或接近對應一空間光調變器的電光性能在電光曲線中近於零的通過率最小值發生處之電壓，以實現一暗像素(亦即一停止狀態)。像素驅動電壓317被增加至此斷開狀態電壓之上以實現增加亮度的像素灰度等級(亦即一運作狀態)。
具有固定相位延遲的外部延遲器
上述本發明的實施例包含具有不同的166奈米和107奈米延遲長度Γ的外部延遲器200。為了模擬，這些延遲長度Γ假定與波長不 相關，其可透過由聚乙烯醇製成的延遲器200來近似。然而，如圖7所示，這些延遲器的相位延遲φ係與波長相關的。其是因為相位延遲φ是給定為φ=Γ/λ。因為延遲長度Γ為定值，相位延遲φ為波長的一函數。
圖16和圖17根據本發明一實施例的繪製於線性和對數刻度的模擬的電光曲線，其中外部延遲器200具有固定為0.26的相位延遲φ且其慢軸220定向為垂直於垂直配向模式空間光調變器300的慢軸340為對數刻度的圖17示出在電光曲線中對於全部三個顏色近於零的通過率最小值為小於0.0001。在一實施例中，對於一給定顏色之大於2000的對比度可透過以一像素驅動電壓317驅動空間光調變器300來實現。像素驅動電壓317被設定為或接近在電光曲線中近於零的通過率最小值發生處之電壓以實現一暗像素。像素驅動電壓317被增加至該值之上以實現增加亮度的像素灰度等級。
比較圖8中的電光曲線(本發明使用具有為166奈米的延遲長度Γ的一延遲器200的實施例)與圖16中對應的電光曲線(本發明使用具有固定為0.26的一相位延遲φ的延遲器200延遲器200的慢軸220垂直空間光調變器的慢軸340的實施例)示出藍和綠光波長的電光曲線較陡且在驅動電壓317為高於電光曲線具有近於零的最小值處以實現較高通過率。具有固定的相位延遲φ的一外部延遲器200可優於具有延遲長度Γ的一外部延遲器，特別是在因空間光調變器300的像素電路設計下使驅動電壓限制在較低值的案例中。
類似地，使用具有固定為0.24的相位延遲φ且其慢軸220與空間光調變器的慢軸320平行定向的一延遲器200的一實施例示例的模 擬示出了幾乎相同於圖16和圖17之電光曲線的電光曲線。
使用於這些示例的相位延遲φ並非要完全固定才能實現具有高通過率的陡的電光曲線。根據本發明之具有近乎固定為0.26之相位延遲的一延遲器200例如以S.Pancharatnam,Part I and Part II,in The Proceedings of the Indian Academy of Sciences,Vol.XLI,No.4,Sec.A,pages 130-144,1955所教示的方式結合具有不同延遲長度Γ和定向角的三個外部延遲器。
方法
參照圖18，說明了根據本發明一示例性實施例的一示例性方法500。根據一第一步驟510，確定一組照光波長。該組照光波長包含至少三個不同色光譜中的每個至少一照光波長。舉例來說，至少一照光波長從一625~740奈米紅色波長帶、一500~565奈米綠色波長帶和一450~485奈米藍色波長帶的每個中確定。
根據一第二步驟520a，相對於一最小延遲性選取具有一延遲性的外部延遲器。延遲性使得相位延遲對於該組照光波長中的各波長為大於0.25。詳細來說，最小延遲性係計算為最長波長的四分之一(如為上述示例中紅色帶中之波長)。
根據一第三步驟530a，具有選定延遲性的外部延遲器的慢軸相對於空間光調變器的慢軸定向。延遲器的慢軸定向為垂直於空間光調變器的慢軸。
做為其他方式，根據在第一步驟510之後的一第二步驟520b，相對於一最大延遲性選取具有一延遲性的一外部延遲器。延遲性使得相位 延遲對於該組照光波長中的各波長為小於0.25。詳細來說，最大延遲性係計算為最短波長的四分之一(如為上述示例中藍色帶中之波長)。
根據一第三步驟530b，具有選定延遲性的外部延遲器的慢軸相對於空間光調變器的慢軸定向。延遲器的慢軸定向為平行於空間光調變器的慢軸。
上述實施例僅是為了清楚地理解原理而闡述的實施方式的示例性說明。在不脫離申請專利範圍的情況下，可以對上述實施例進行變化、修改和組合。所有這些變化、修改和組合在本文中都包括在本發明和所附申請專利範圍內。
10:空間光調變器顯示系統
100:線性偏光器
110:抗反射塗層
120:照光
140:反射的光
160:光軸
180:反射光
200:外部延遲器
220、340、320:慢軸
300:反射式空間光調變器
302:第一對準層
304:第二對準層
306:液晶材料層、液晶層
308:表面接觸液晶指向矢
309:非表面接觸液晶指向矢
310:預傾角
311:傾角
312:第一電極
314:第二電極
316:電壓源
317:電壓
318:基板層
319:基板層
400:光源

Claims (17)

  1. 一種顯示系統，包含：一空間光調變器，包含一第一基板、一第二基板以及位於該第一基板和該第二基板之間的一液晶層，其中該空間光調變器具有一第一延遲長度以及一第一相位延遲之特徵，其中該空間光調變器具有用於光傳播的一第一慢軸；一延遲器，位於該空間光調變器外部，其中該延遲器具有一第二延遲長度以及一第二相位延遲之特徵，該延遲器包含垂直於該第一慢軸且用於光傳播的一第二慢軸，其中該第二延遲長度具有一值使得該延遲器對於一組照光波長中的所有照光波長具有0.25以上的一相位延遲值，其中該組照光波長包含至少三個不同色光譜的每個中的至少一照光波長；以及一電壓源，其用以對該空間光調變器施加一驅動電壓，其中該空間光調變器的該第一延遲長度為該驅動電壓的一函數；其中，對於在該組照光波長中的各該照光波長，用於一斷開狀態的該驅動電壓被設置為一斷開狀態驅動電壓，其中該第一相位延遲和該第二相位延遲的組合的值等於或接近0.25，以使一對比度大於2000；其中，在大於該斷開狀態驅動電壓的一導通狀態驅動電壓下，在各自的一電光曲線中存在各照光波長的一最大通過率，且其中，該顯示系統為一矽基液晶顯示器，其以一垂直配向模式和一扭轉垂直配向模式中之至少一者運行。
  2. 如請求項1所述之顯示系統，包含具有一偏光軸的一偏 光器，其中該延遲器在該偏光器和該空間光調變器之間，其中該第二慢軸相對於該偏光軸旋轉45度。
  3. 如請求項1所述之顯示系統，其中該第二延遲長度具有一值其大於該組照光波長的一最長照光波長的四分之一。
  4. 如請求項1所述之顯示系統，其中該空間光調變器用以接收入射光且輸出一影像，其中該影像包含對應該組照光波長中各該照光波長的至少三種不同顏色，且其中對於各該三種不同顏色的一對比度大於2000。
  5. 如請求項1所述之顯示系統，其中該至少三個不同色光譜包含紅色、綠色和藍色光譜。
  6. 如請求項1所述之顯示系統，其中該延遲器產生對於所有照光波長的一相位延遲φ，其對於所有該照光波長具有範圍在0.26至0.40的一值。
  7. 如請求項1所述之顯示系統，其中該延遲器包含多個延遲器。
  8. 一種顯示系統，包含：一空間光調變器，包含一第一基板、一第二基板以及位於該第一基板和該第二基板之間的一液晶層，其中該空間光調變器具有一第一延遲長度以及一第一相位延遲之特徵，其中該空間光調變器具有用於光傳播的一第一慢軸；一延遲器，位於該空間光調變器外部，其中該延遲器具有一第二延遲長度以及一第二相位延遲之特徵，該延遲器包含平行於該第一慢軸且 用於光傳播的一第二慢軸，其中該第二延遲長度具有一值使得該延遲器對於一組照光波長中的所有照光波長具有0.25以下的一相位延遲值，其中該組照光波長包含至少三個不同色光譜的每個中的至少一照光波長；以及一電壓源，其用以對該空間光調變器施加一驅動電壓，其中該空間光調變器的該第一延遲長度為該驅動電壓的一函數；其中，對於在該組照光波長中的各該照光波長，用於一斷開狀態的該驅動電壓被設置為一斷開狀態驅動電壓，其中該第一相位延遲和該第二相位延遲的組合的值等於或接近0.25，以使一對比度大於2000；其中，在大於該斷開狀態驅動電壓的一導通狀態驅動電壓下，在各自的一電光曲線中存在各照光波長的一最大通過率，且其中，該顯示系統為一矽基液晶顯示器，其以一垂直配向模式和一扭轉垂直配向模式中之至少一者運行。
  9. 如請求項8所述之顯示系統，包含具有一偏光軸的一偏光器，其中該延遲器在該偏光器和該空間光調變器之間，其中該第二慢軸相對於該偏光軸旋轉45度。
  10. 如請求項8所述之顯示系統，其中該第二延遲長度具有一值其小於該組照光波長的一最短照光波長的四分之一。
  11. 如請求項8所述之顯示系統，其中在各該斷開狀態驅動電壓下，對於各該照光波長，在一電光曲線中存在零或接近零的一最小值。
  12. 如請求項8所述之顯示系統，其中該空間光調變器用以接收入射光且輸出一影像，其中該影像包含對應該組照光波長中各該照光 波長的至少三種不同顏色，且其中對於各該三種不同顏色的一對比度大於2000。
  13. 如請求項8所述之顯示系統，其中該至少三個不同色光譜包含紅色、綠色和藍色光譜。
  14. 如請求項8所述之顯示系統，其中該延遲器產生對於所有照光波長的一相位延遲φ，其對於所有該照光波長具有範圍在0.10至0.24的一值。
  15. 一種顯示系統的形成方法，包含：判斷一組照光波長，其中該組照光波長包含至少三個不同色光譜的每個中的至少一照光波長；選取具有一延遲性的一外部延遲器，其中該延遲性使得：一相位延遲對於該組照光波長中各該照光波長為大於0.25；或者一相位延遲對於該組照光波長中各該照光波長為小於0.25；以及將該外部延遲器的一慢軸與一空間光調變器的一慢軸定向，其中：若該相位延遲對於該組照光波長中的各該照光波長為大於0.25時，該延遲器的該慢軸被定向為垂直於該空間光調變器的該慢軸；或者若該相位延遲對於該組照光波長中的各該照光波長為小於0.25時，該延遲器的該慢軸被定向為平行於該空間光調變器的該慢軸； 其中，該空間光調變器具有一第一延遲長度以及一第一相位延遲之特徵，該延遲器具有一第二延遲長度以及一第二相位延遲之特徵，該顯示系統包含一電壓源，該電壓源用以對該空間光調變器施加一驅動電壓，其中該空間光調變器的該第一延遲長度為該驅動電壓的一函數；其中，對於在該組照光波長中的各該照光波長，用於一斷開狀態的該驅動電壓被設置為一斷開狀態驅動電壓，其中該第一相位延遲和該第二相位延遲的組合的值等於或接近0.25，以使一對比度大於2000；其中，在大於該斷開狀態驅動電壓的一導通狀態驅動電壓下，在各自的一電光曲線中存在各照光波長的一最大通過率，且其中，該顯示系統為一矽基液晶顯示器，其以一垂直配向模式和一扭轉垂直配向模式中之至少一者運行。
  16. 一種空間光調變器系統，包含：一空間光調變器，包含一第一基板、一第二基板以及位於該第一基板和該第二基板之間的一液晶層，其中該空間光調變器具有用於光傳播的一空間光調變器慢軸；一延遲器，沿在該空間光調變器和該延遲器之間的一光路位於該空間光調變器的外部，使得該系統接收的光沿該光路從該空間光調變器被傳輸至該延遲器，且其中該延遲器具有一延遲器相位延遲之特徵，且其中該延遲器相位延遲大於0.25，且其中該延遲器的位置是配置為使得用於光傳播的該延遲器慢軸是垂直於該空間光調變器慢軸；以及一電壓源，其用以對該空間光調變器施加一驅動電壓，其中該空間光調變器的一第一延遲長度為該驅動電壓的一函數；其中，對於在該組 照光波長中的各該照光波長，用於一斷開狀態的該驅動電壓被設置為一斷開狀態驅動電壓，其中該空間光調變器的一第一相位延遲和該延遲器相位延遲的組合的值等於或接近0.25，以使一對比度大於2000；其中，在大於該斷開狀態驅動電壓的一導通狀態驅動電壓下，在各自的一電光曲線中存在各照光波長的一最大通過率，且其中，該空間光調變器系統為一矽基液晶顯示器，其以一垂直配向模式和一扭轉垂直配向模式中之至少一者運行。
  17. 如請求項16所述之系統，更包含沿一光路配置且具有一偏光軸的一偏光器，且其中該延遲器位於該偏光器和該空間光調變器之間，且其中該延遲器慢軸相對於該偏光軸定位為成45度角。
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