專利名稱：光學(xué)顯示系統(tǒng)和光學(xué)移位器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種光學(xué)顯示系統(tǒng)，并更具體地涉及一種單面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)，其可用單顯示面板以全色進(jìn)行顯示操作，而不使用濾色器。本發(fā)明可有效地用于緊湊的投影型彩色液晶TV系統(tǒng)或信息顯示系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
使用液晶顯示器(LCD)面板的常規(guī)投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)將被描述。
這種投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)需要被單獨(dú)提供光源，這是因?yàn)長CD面板本身不發(fā)光。然而，使用LCD面板的投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)優(yōu)于使用CRT的投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)，這是因?yàn)榍罢哳愋偷娘@示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較寬的彩色可再現(xiàn)范圍，具有較小的尺寸和較輕的重量，并且不需要會(huì)聚校正。
投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)可通過三面板方法(即，有被用于三原色的三個(gè)LCD面板)或通過單面板方法(即，有僅一個(gè)所使用的LCD面板)來進(jìn)行顯示操作。
三面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)使用用于將白光分為表示紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)三原色的三個(gè)光線的光學(xué)系統(tǒng)以及用于調(diào)制R、G和B光線并由此形成三個(gè)圖像分量的三個(gè)LCD面板。通過從光學(xué)上將R、G和B圖像分量相互疊加，三面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)可生成全色的圖像。
三面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)可有效地利用從白光源輻射的光，但需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和較大數(shù)量的部件。這樣，三面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)在成本和尺寸上通常不如單面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)。
單面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)使用包括被以馬賽克或條紋圖形安排的多個(gè)R、G和B濾色器的單個(gè)LCD面板，并獲得全色圖像，其被顯示于LCD面板上，通過投影光學(xué)系統(tǒng)投影到投影平面(例如屏幕)上。例如，這種單面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)被描述于日本公開出版物No.59-230383。單面板型僅使用一個(gè)LCD面板，并需要比三面板型的大為簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)。這樣，單面板方法可被有效地用于以減小的成本來提供小尺寸投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)。
然而，在使用濾色器的單面板型中，光被吸入濾色器。因此，與使用類似光源的三面板型相比，圖像的亮度在單面板型中降低到大約三分之一。另外，一個(gè)像素通過分別對(duì)應(yīng)于R、G和B的LCD面板的一組三個(gè)像素區(qū)域而被顯示。這樣，與三面板型相比，圖像的分辨率亦降低到三分之一。
對(duì)亮度降低的一個(gè)可能的措施是使用較亮的光源。然而，對(duì)于消費(fèi)者電子器具(consumer electronic appliance)，使用有大的功率損耗的光源不是優(yōu)選的。還有，當(dāng)吸收型濾色器被使用時(shí)，已被吸入濾色器的光變?yōu)闊?。因此，如果光源的亮度急劇增加，則不僅LCD面板的溫度增加，而且濾色器的變色(discoloration)亦被加速。為了這個(gè)原因，為增加投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)的利用價(jià)值，如何完全利用所給的光是很重要的。
為增加由單面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)所顯示的圖像的亮度，用于不使用任何濾色器而以全色進(jìn)行顯示操作的液晶顯示設(shè)備被開發(fā)(例如，見日本公開出版物No.4-60538)。在這種液晶顯示設(shè)備中，從光源輻射的白光由電介質(zhì)鏡如分色鏡分為R、G和B光束。然后該光束以相互不同的角度入射到微透鏡陣列上。微透鏡陣列被安排于LCD面板的一側(cè)以面向光源。這些已入射到微透鏡上的光束透過微透鏡以依照相應(yīng)的入射角被聚焦到其關(guān)聯(lián)的像素區(qū)域上。這樣，R、G和B分光光束被相互不同的像素區(qū)域調(diào)制，然后被用于全色顯示。
一種取代電介質(zhì)鏡而使用用于R、G和B的光線的可透射全息元件以盡可能有效地利用光的顯示系統(tǒng)被公開于日本公開出版物No.5-249318。另一方面，一種包括具有由像素間距(pitch)限定的周期性結(jié)構(gòu)并起電介質(zhì)鏡或微透鏡作用的可透射全息元件的顯示系統(tǒng)被公開于日本公開出版物No.6-222361。
低分辨率是單面板型的另一個(gè)問題。然而，對(duì)于這個(gè)問題，通過采用場(chǎng)序制(field sequential)技術(shù)，即使僅一個(gè)LCD面板亦可實(shí)現(xiàn)可與三面板型的相比的分辨率。場(chǎng)序制技術(shù)利用了這樣的現(xiàn)象當(dāng)光源的顏色被以過高的速率轉(zhuǎn)換以致不能由人眼識(shí)別時(shí)，欲被在時(shí)間上順序顯示的相應(yīng)圖像分量通過附加的色彩混合過程使其色彩被混合。這個(gè)現(xiàn)象被稱為“連續(xù)附加色彩混合過程”。
在用于通過場(chǎng)序制技術(shù)來進(jìn)行全色顯示操作的投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)中，一個(gè)由R、G和B濾色器組成的盤被以等效于LCD面板一個(gè)垂直掃描周期的高速來旋轉(zhuǎn)，并且對(duì)應(yīng)于三個(gè)濾色器色彩的圖像信號(hào)被順序地輸入LCD面板的驅(qū)動(dòng)器電路。這樣，對(duì)應(yīng)于各自色彩的三個(gè)圖像分量的合成圖像被人眼識(shí)別。
在這種場(chǎng)序制型的顯示系統(tǒng)中，與單面板型不同，R、G和B圖像分量由LCD面板的每個(gè)像素在時(shí)間上順序地顯示。這樣，其分辨率可與三面板型相比。
用R、G和B光束照射LCD面板的相互不同區(qū)域的投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)作為另一種場(chǎng)序制型的顯示系統(tǒng)被公開于IDW’9(pp.989-992)。在這種顯示系統(tǒng)中，從光源輻射的白光被電介質(zhì)鏡分為R、G和B光束，其然后將照射LCD面板的相互不同的區(qū)域。欲被用R、G和B光束照射的LCD面板部分通過旋轉(zhuǎn)立體棱鏡而被順序地切換。
此外，如在日本公開出版物No.9-214997中公開的投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)使用類似于被公開于以上確定(identify)的日本公開出版物No.4-60538中的液晶顯示設(shè)備。該顯示系統(tǒng)亦將白光分為相應(yīng)色彩的光束，然后通過類似方法使這些光束以相互不同的角度入射到其關(guān)聯(lián)的像素區(qū)域上。為同時(shí)增加光效率和分辨率，這種投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)將每個(gè)圖像幀分為時(shí)間上順序的子幀，并在每次經(jīng)過LCD面板的一個(gè)垂直掃描周期時(shí)周期性地轉(zhuǎn)換光束的入射角。
然而，被公開于以上確定的日本公開出版物No.4-60538、5-249318和6-222361的顯示系統(tǒng)可增加亮度，但其分辨率仍為三面板型的三分之一。原因是三個(gè)空間上被分離的R、G和B像素被用作表示一個(gè)像素(或點(diǎn))的一組。
相比而言，通常的場(chǎng)序制型可將分辨率增加到可與三面板型的相比的水平。然而，由通常場(chǎng)序制型實(shí)現(xiàn)的圖像的亮度不如常規(guī)單面板型令人滿意。
另一方面，在被公開于IDW’9的顯示系統(tǒng)中，R、G和B光束的入射點(diǎn)不應(yīng)相互重疊。為了這個(gè)目的，需要具有很高程度平行性的照明光。因此，由于被照明光的平行性程度所限，光效率亦降低。
這樣，沒有任何上述常規(guī)技術(shù)可同時(shí)增加亮度和分辨率，或者解決單面板型的問題。
本申請(qǐng)的申請(qǐng)人在日本公開出版物No.9-214997中公開了一種投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)，其應(yīng)解決上述問題。在被公開于日本公開出版物No.9-214997的顯示系統(tǒng)中，進(jìn)入LCD面板的光束的入射角需要被與LCD面板的每個(gè)垂直掃描周期的結(jié)束同步地順序切換。在這種顯示系統(tǒng)中，需要在LCD面板和光源之間提供專門的空間，并且需要兩組全息元件或鏡面在那里被驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)這樣的切換。
這種顯示系統(tǒng)需要多個(gè)可移動(dòng)組件以切換入射光束的入射角，由此需要復(fù)雜的控制。還有，LCD面板的每個(gè)像素逐一地顯示所有三個(gè)色彩，由此逐個(gè)顏色的調(diào)節(jié)不能由LCD面板實(shí)現(xiàn)。
為克服這些問題，被公開于PCT專利申請(qǐng)WO01/96932的光學(xué)顯示系統(tǒng)將一個(gè)幀分為多個(gè)子幀，在每次子幀被切換時(shí)在逐個(gè)像素基礎(chǔ)上移位(shift)LCD面板出射光線的光程，并且在時(shí)間上順序地合成這些光線。
在被公開于PCT專利申請(qǐng)WO01/96932的光學(xué)顯示系統(tǒng)中，LCD面板出射光線的光程需要由光學(xué)移位器(optical shifter)來移位。如果光學(xué)移位器包括雙折射元件，將要從LCD面板進(jìn)入光學(xué)移位器的光線應(yīng)具有與光程被光學(xué)移位器移位的方向垂直或平行的偏振方向。然而，R、G和B光線應(yīng)以相互不同的角度入射到LCD面板上。因此，入射光線正常地具有水平或垂直方向上的寬擴(kuò)展角。這樣，LCD面板應(yīng)受45度的打磨處理(rubbing treatment)以提高其顯示性能。盡管如此，當(dāng)使用光學(xué)移位器時(shí)，由于上述原因，LCD面板僅可被水平或垂直地打磨。
發(fā)明概述為了克服上述問題，本發(fā)明的首要目的是提供一種光學(xué)顯示系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)了以高分辨率顯示亮且均勻的圖像，并可有效地促使尺寸和成本的減小。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于這種光學(xué)顯示系統(tǒng)的光學(xué)移位器。
依照本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)顯示系統(tǒng)優(yōu)選地包括光源、顯示面板和光學(xué)移位器。顯示面板優(yōu)選地包括多個(gè)像素區(qū)域，其每個(gè)均可調(diào)制光。光學(xué)移位器優(yōu)選地被安排以接收顯示面板的出射光并在逐幀的基礎(chǔ)上從光學(xué)上移位(shift)顯示面板上的圖像，并且優(yōu)選地包括第一元件和第二元件。第一元件優(yōu)選地有選擇地改變顯示面板出射光線的偏振方向，而第二元件優(yōu)選地顯示出依照入射光線偏振方向的多個(gè)不同折射率之一。顯示系統(tǒng)優(yōu)選地進(jìn)一步包括顯示面板和光學(xué)移位器之間的偏振校正器。偏振校正器優(yōu)選地將顯示面板出射光線的偏振方向變?yōu)榕c圖像被移位的方向平行或垂直的方向。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，顯示面板優(yōu)選為液晶顯示面板。液晶顯示面板優(yōu)選地通過在空間上調(diào)制具有與圖像將被移位的方向既不平行也不垂直的偏振方向的光，在其上形成圖像。
在這個(gè)具體的優(yōu)選實(shí)施例中，光學(xué)顯示系統(tǒng)優(yōu)選地進(jìn)一步包括光源和顯示面板之間的第二偏振校正器。第二偏振校正器優(yōu)選地接收具有與圖像將被移位的方向平行或垂直的偏振方向的光，將所接收光的偏振方向變?yōu)榕c圖像被移位的方向既不平行也不垂直的方向，然后將光傳遞到液晶顯示面板。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)偏振校正器優(yōu)選地包括至少一個(gè)半波片。
特別地，偏振校正器優(yōu)選地包括在光程上被串聯(lián)安排的多個(gè)半波片。
更具體地，偏振校正器優(yōu)選地包括第一半波片和第二半波片，其被以這個(gè)順序安排以使第一半波片離光源比第二半波片近。第一半波片優(yōu)選地具有慢軸或快軸，其相對(duì)于顯示面板出射光線偏振軸右旋或左旋地限定大約8.3度到大約14.3度的角度。第二半波片優(yōu)選地具有慢軸或快軸，其關(guān)于顯示面板出射光線偏振軸右旋或左旋地限定一個(gè)大約30.8度到大約36.8度的角度。
在可選的優(yōu)選實(shí)施例中，偏振校正器可包括第一半波片和第二半波片，其被以這個(gè)順序?qū)盈B以使第一半波片離光源比第二半波片近。在此情況下，第一半波片優(yōu)選地具有慢軸或快軸，其相對(duì)于顯示面板出射光線偏振軸右旋或左旋地限定大約19.5度到大約25.5度的角度。第二半波片優(yōu)選地具有慢軸或快軸，其相對(duì)于顯示面板出射光線偏振軸右旋或左旋地限定大約87.0度到大約93.0度的角度。
在仍另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，偏振校正器可包括具有多個(gè)光軸的半波片。
在再另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，偏振校正器優(yōu)選地包括具有多個(gè)光軸的半波片。半波片優(yōu)選地基本上滿足nz＝(nx+ny)/2，其中nx和ny為平面內(nèi)方向上(in an in-plane direction)半波片的折射率，而nz為厚度方向上半波片的折射率。
依照本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例的光學(xué)移位器優(yōu)選地周期性地移位顯示圖像幀的顯示面板出射光線的光程，并且由此有選擇地將圖像幀移動(dòng)(displace)到三個(gè)或多個(gè)位置之一，所述位置在相同的平面上被以直線安排并且相互間隔至少一個(gè)像素間距。光學(xué)移位器優(yōu)選地包括在出射光線的光程上被串聯(lián)安排的至少兩對(duì)元件。每對(duì)優(yōu)選地包括第一元件和第二元件，其被以這個(gè)順序安排以使第一元件離顯示面板比第二元件近。第一元件優(yōu)選地有選擇地改變顯示面板出射光線的偏振方向。第二元件優(yōu)選地顯示出依照入射光線偏振方向的多個(gè)不同折射率之一。光學(xué)移位器優(yōu)選地進(jìn)一步包括偏振校正器。偏振校正器優(yōu)選地被安排于顯示面板和第一元件之間，第一元件離顯示面板比所述至少兩對(duì)元件的任何一個(gè)要近。偏振校正器優(yōu)選地將顯示面板出射光線的偏振方向變?yōu)榕c光程被移位的方向平行或垂直的方向。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，偏振校正器優(yōu)選地包括至少一個(gè)半波片。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，偏振校正器可包括在光程上被串聯(lián)安排的多個(gè)半波片。
在這個(gè)具體優(yōu)選實(shí)施例中，偏振校正器優(yōu)選地包括第一半波片和第二半波片，其被以這個(gè)順序安排以使第一半波片離顯示面板比第二半波片近。第一半波片優(yōu)選地具有慢軸或快軸，其相對(duì)于光程將被移位的方向右旋或左旋地限定大約30.8度到大約36.8度的角度。第二半波片優(yōu)選地具有慢軸或快軸，其相對(duì)于光程將被移位的方向右旋或左旋地限定大約8.3度到大約14.3度的角度。
在可選的優(yōu)選實(shí)施例中，偏振校正器可包括第一半波片和第二半波片，其被以這個(gè)順序?qū)盈B以使第一半波片離顯示面板比第二半波片近。在此情況下，第一半波片優(yōu)選地具有慢軸或快軸，其相對(duì)于光程將被移位的方向右旋或左旋地限定大約64.5度到大約70.5度的角度。第二半波片優(yōu)選地具有慢軸或快軸，其相對(duì)于光程將被移位的方向右旋或左旋地限定大約132.0度到大約138.0度的角度。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，偏振校正器可包括具有多個(gè)光軸的半波片。
從以下參照附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的具體描述，本發(fā)明的其它特點(diǎn)、元件、過程、步驟、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得較為明顯。
附圖簡(jiǎn)述

圖1為示出依照本發(fā)明的投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)的示意性表示。
圖2為示出示意性地示出LCD面板的橫斷面視圖。
圖3為示出分色鏡光譜特性的曲線圖。
圖4示出如何從原始圖像幀產(chǎn)生逐色的圖像幀。
圖5A到5C示出本發(fā)明的彩色顯示原理如何與常規(guī)彩色顯示原理不同。
圖6示出如何從逐色圖像幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生三個(gè)子幀數(shù)據(jù)。
圖7示出移位圖像子幀的模式(即圖像移位)。
圖8A和8B示出多個(gè)圖像子幀如何被合成在一起。
圖9為示出光學(xué)移位器的透視圖。
圖10為示出另一光學(xué)移位器的透視圖。
圖11為示出光學(xué)移位器的示例安排的透視圖。
圖12為示出在本發(fā)明第一特定優(yōu)選實(shí)施例中透過半波片的光量如何隨著光的波長而變化的曲線圖。
圖13為示出在本發(fā)明第二特定優(yōu)選實(shí)施例中透過兩個(gè)半波片的光量如何隨著光的波長而變化的曲線圖。
圖14為示出泄漏的光量如何隨著兩個(gè)半波片的第一個(gè)的慢軸或快軸角度而變化的曲線圖。
圖15為示出泄漏的光量如何隨著兩個(gè)半波片的第二個(gè)的慢軸或快軸角度而變化的曲線圖。
圖16為示出在本發(fā)明第三特定優(yōu)選實(shí)施例中透過兩個(gè)半波片的光量如何隨著光的波長而變化的曲線圖。
圖17為示出泄漏的光量如何隨著兩個(gè)半波片的第一個(gè)的慢軸或快軸角度而變化的曲線圖。
圖18為示出泄漏的光量如何隨著兩個(gè)半波片的第二個(gè)的慢軸或快軸角度而變化的曲線圖。
圖19為示出在本發(fā)明第一、第二和第三優(yōu)選實(shí)施例中透過一個(gè)或兩個(gè)半波片的光量如何隨著光的波長而變化的曲線圖。
圖20為示出在兩個(gè)偏振器被安排于第一、第二和第三優(yōu)選實(shí)施例偏振校正器的光入射側(cè)和光出射側(cè)以使其透射軸分別關(guān)于移位方向限定一個(gè)大約45度和一個(gè)大約0度的情況下，透射光量如何隨著極角而變化的曲線圖。
圖21為示出在兩個(gè)偏振器被安排于第四特定優(yōu)選實(shí)施例的偏振校正器的光入射側(cè)和光出射側(cè)以使其透射軸分別關(guān)于移位方向限定大約45度和大約0度的情況下，透射光量如何隨著極角而變化的曲線圖。
優(yōu)選實(shí)施例詳述依照本發(fā)明，例如，在不包括濾色器的單面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)中，表示多個(gè)圖像子幀的數(shù)據(jù)從表示每個(gè)圖像幀的數(shù)據(jù)作為圖像分量而被產(chǎn)生。然后，圖像子幀由顯示面板在時(shí)間上順序地顯示。之后，通過順序地移位(shifting)投影平面上的這些圖像子幀，投影平面上的相同區(qū)域被用多個(gè)光線順序地照射，所述光線已被顯示面板的相互不同的像素區(qū)域調(diào)制并屬于相應(yīng)不同的波長范圍(其在此將被稱為“R、G和B光線”)，由此實(shí)現(xiàn)高分辨率全色顯示。
例如，取投影平面上的一個(gè)特定區(qū)域，其對(duì)應(yīng)于一個(gè)像素。在本發(fā)明中，該特定區(qū)域可在子幀被顯示的周期(該周期在此將被稱為“子幀周期”)內(nèi)用紅(R)光線照射。在此情況下，該特定區(qū)域可分別在接下來的子幀周期內(nèi)用綠(G)光線并在隨后的子幀周期內(nèi)用藍(lán)(B)光線照射。以這種方式，依照本發(fā)明，投影平面上每個(gè)像素的色彩由R、G和B光線在時(shí)間上順序地照射而限定。
在本發(fā)明和場(chǎng)序制型常規(guī)投影型彩色光學(xué)顯示系統(tǒng)之間有明顯的差別。
具體地，在常規(guī)場(chǎng)序制方法中，顯示面板被用R、G和B光線交替地照射。因此，在一個(gè)子場(chǎng)周期內(nèi)，顯示面板的所有像素區(qū)域被用R、G和B光線之一照射。作為結(jié)果，投影平面上的每個(gè)圖像子幀由表示R、G和B光線色彩的像素組成。然而，R、G和B圖像子幀被以很短的時(shí)間間隔在時(shí)間上順序地顯示，該間隔甚至比人視覺的時(shí)間分辨率短。因此，彩色圖像被人眼識(shí)別為殘留影像(afterimage)。
相比而言，依照本發(fā)明，如將在以后具體描述的，每個(gè)圖像子幀通過互相組合R、G和B光線而被形成。也就是說，在子幀周期內(nèi)，投影平面被用已由顯示面板調(diào)制的R、G和B光線來照射。已被顯示面板調(diào)制的R、G和B光線的每個(gè)在一個(gè)子幀周期內(nèi)照射投影平面上的一個(gè)位置，但在接下來的子幀周期內(nèi)照射投影平面上的另一個(gè)位置。然后，那些光線被隨時(shí)間合成在一起，由此在其上顯示全色圖像幀。
依照本發(fā)明，R、G和B光線的這種時(shí)間上順序的合成是由光學(xué)移位器來進(jìn)行的。光學(xué)移位器被安排于顯示面板和投影平面之間以周期性且有規(guī)律地移位已被顯示面板調(diào)制的光線的光程。
本發(fā)明不局限于投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)，而是亦可有效地用于在直視型光學(xué)顯示系統(tǒng)如觀察器或頭戴式顯示器中使用。然而，在以下描述中，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將被描述為被應(yīng)用于這種投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)。
在以下，依照第一特定實(shí)施例的光學(xué)顯示系統(tǒng)的示例安排將參照?qǐng)D1被描述。
實(shí)施例1這個(gè)實(shí)施例的光學(xué)顯示系統(tǒng)為投影型。該顯示系統(tǒng)包括光源1、LCD面板8、光控制裝置和投影光學(xué)系統(tǒng)。依照其波長范圍光控制裝置被提供以將從光源1發(fā)射的光聚焦到LCD面板8的關(guān)聯(lián)像素區(qū)域上。投影光學(xué)系統(tǒng)被提供以將已被LCD面板8調(diào)制的光線投影到投影平面上。
這個(gè)投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括球面鏡2、聚光透鏡3和分色鏡4、5和6。球面鏡2向前反射從光源向后發(fā)射的(白)光。聚光透鏡3將來自光源1和球面鏡2的光準(zhǔn)直為平行光束。然后，依照其波長范圍該光束被分色鏡4、5和6分為多個(gè)光線。被分色鏡4、5和6反射的光線然后依照其波長范圍以相互不同的角度入射到微透鏡陣列7上。微透鏡陣列7被附著于離光源1較近的LCD面板的兩個(gè)襯底之一。以其相應(yīng)的角度入射到微透鏡陣列7上的光線將被聚焦到位于相互不同位置的其關(guān)聯(lián)像素區(qū)域上。
在這個(gè)投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)中，投影光學(xué)系統(tǒng)包括場(chǎng)鏡9和投影透鏡11以將已透過LCD面板8的光束12投影到屏幕(即，投影平面)13上。在這個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)移位器10被安排于場(chǎng)鏡9和投影透鏡11之間。圖1示出光線12a和12b，其被光學(xué)移位器10平行于投影平面移位。然而，為獲得這些被移動(dòng)的光線，光學(xué)移位器10可被安排于LCD面板8和屏幕13之間的任何地方。例如，光學(xué)移位器10可被安排于投影透鏡11和屏幕13之間。
在圖1中，包括三個(gè)分色鏡4、5和6的反射平面(即，色分離平面)的每個(gè)法線的平面被示出為平行于圖1的紙面，并且像素移位方向(在此將亦被稱為“圖像移位方向”)亦被示出為平行于色彩分離平面。然而，像素移位方向不必平行于色彩分離平面。在以后將描述的優(yōu)選實(shí)施例中，像素移位方向垂直于色彩分離平面。更具體地，在LCD面板的屏幕上色彩分離平面可平行于水平方向，而在LCD面板的屏幕上像素移位方向可平行于垂直方向。當(dāng)然，盡管在屏幕上像素移位方向不必平行于垂直方向，但在屏幕上可平行于水平方向。
接下來，這種投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)的相應(yīng)組件將被逐一描述。
在這個(gè)實(shí)施例中，具有150W光輸出功率、5mm弧長和2.2mm弧直徑的金屬鹵化物燈被用作光源1，并被安排以使其弧長方向平行于紙面。其它優(yōu)選光源1的實(shí)例包括鹵素?zé)?、超高壓水銀燈和氙燈。被用于這個(gè)實(shí)施例的光源1輻射白光，該白光包括屬于對(duì)應(yīng)三原色的三個(gè)波長范圍的光線。
球面鏡2被安排在光源1之后。具有80mmφ孔徑、60mm焦距的聚光透鏡3被安排于光源1之前。球面鏡2被放置以使其中心與光源1的發(fā)射部分的中心對(duì)準(zhǔn)，而聚光透鏡3被放置以使其焦點(diǎn)與光源1的中心對(duì)準(zhǔn)。
在這個(gè)裝置中，從光源1發(fā)射的光被聚光透鏡3準(zhǔn)直以使LCD面板8被用準(zhǔn)直光照亮。被傳遞經(jīng)過聚光透鏡3的光的平行性程度可在弧長方向(即，平行于圖1的紙面的方向)上為大約2.2度，而在弧直徑方向上為大約1度。
被用于這個(gè)實(shí)施例的LCD面板8為透射型液晶顯示器，在其中微透鏡陣列7被安排于其兩個(gè)透明襯底中離光源近的一個(gè)上。任何液晶材料或任何工作模式可被選擇，但LCD面板8優(yōu)選地能以足夠高的速度工作。在這個(gè)實(shí)施例中，所述面板8在扭轉(zhuǎn)向列(twisted nematic)(TN)模式中操作。LCD面板8包括用于調(diào)制入射光的多個(gè)像素區(qū)域。如在此所使用的，“像素區(qū)域”指空間上彼此分離的顯示面板相應(yīng)的光調(diào)制部分。在這個(gè)LCD面板8中，電壓從與這些像素區(qū)域之一關(guān)聯(lián)的像素電極被施加到液晶層的關(guān)聯(lián)部分，由此改變那個(gè)部分的光學(xué)特性并調(diào)制所述光。
在這個(gè)LCD面板8中，768(H)×1,024(V)的掃描線可由逐行掃描技術(shù)來驅(qū)動(dòng)。LCD面板8的像素區(qū)域被二維地安排于透明襯底上。在這個(gè)實(shí)施例中，像素區(qū)域的間距在水平和垂直方向上均為26μm。還有，在這個(gè)實(shí)施例中，R、G和B像素區(qū)域被安排以在屏幕的水平方向上形成條紋圖形，并且每個(gè)微透鏡被分配給三個(gè)像素區(qū)域(即，R、G和B像素區(qū)域)的多組之一。
如圖1中所示，在LCD面板上照射的R、G和B光線已通過獲得由分色鏡4、5和6分裂的從光源1被輻射的白光而被產(chǎn)生。R、G和B光線以相互不同的角度入射到LCD面板8上的微透鏡陣列7上。因此，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定這些R、G和B光線的入射角，這些光線可通過微透鏡7之一被分配到對(duì)應(yīng)于三個(gè)波長范圍的相應(yīng)像素區(qū)域，如圖2中所示。在這個(gè)實(shí)施例中，微透鏡7具有255μm的焦距以在這些光線的兩個(gè)之間形成5.8度的角度。更具體地，R光線垂直地入射到LCD面板8上，而B和G光線的每個(gè)在其上入射以限定與R光線5.8度的角度。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，包含三個(gè)分裂光線的光軸的平面(即，色彩分離平面)在LCD面板8的屏幕上平行于水平方向。
分色鏡4、5和6可具有如圖3中所示的光譜特性并分別有選擇地反射綠(G)、紅(R)和藍(lán)(B)光線。G光線具有520nm到580nm范圍內(nèi)的波長，R光線具有600nm到650nm范圍內(nèi)的波長，而B光線具有420nm到480nm范圍內(nèi)的波長。
在這個(gè)實(shí)施例中，分色鏡4、5和6以及微透鏡陣列7被用于將表示三原色的光線聚焦到相應(yīng)的像素區(qū)域上。可選地，任何其它光學(xué)元件(例如，具有衍射和譜函數(shù)的透射型全息)亦可被使用。
如以上所述，LCD面板8由逐行掃描技術(shù)來驅(qū)動(dòng)。因此，所述面板8每秒顯示60個(gè)圖像幀。這樣，被分配給每個(gè)幀的時(shí)間(即，幀時(shí)間周期T)為1/60秒。也就是說，T＝1/60秒16.6毫秒。
應(yīng)指出，如果所述面板8由隔行掃描技術(shù)來驅(qū)動(dòng)，則屏幕上的掃描線被分為偶數(shù)編號(hào)的線和奇數(shù)編號(hào)的線。在隔行掃描的過程中，所有這些偶數(shù)編號(hào)的掃描線或所有這些奇數(shù)編號(hào)的掃描線被交替激活。因此，T＝1/30秒33.3毫秒。還有，被分配給組成一幀的每個(gè)偶數(shù)和奇數(shù)編號(hào)場(chǎng)的時(shí)間(即，一個(gè)場(chǎng)時(shí)間周期)為1/60秒16.6毫秒。
在這個(gè)實(shí)施例中，關(guān)于組成一個(gè)完整圖像的相應(yīng)圖像幀的信息(或數(shù)據(jù))被順序地存儲(chǔ)于幀存儲(chǔ)器中。依照從幀存儲(chǔ)器被有選擇地讀出的信息，多個(gè)圖像子幀被逐個(gè)形成。以下將具體描述如何形成圖像子幀。
例如，假設(shè)由幀表示的圖像(即，圖像幀)如圖4的(a)中所示。這個(gè)圖像幀應(yīng)被以全色顯示，并且相應(yīng)像素的色彩依照限定這個(gè)圖像幀的數(shù)據(jù)來確定。應(yīng)指出，在隔行掃描技術(shù)中，由場(chǎng)表示的圖像可與如在此所使用的“圖象幀”類似地被處理。
常規(guī)三面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分為對(duì)應(yīng)于相應(yīng)像素的R、G和B光線的三個(gè)數(shù)據(jù)子集，由此產(chǎn)生表示如圖4的(b)、(c)和(d)中所示R、G和B圖像幀的三個(gè)數(shù)據(jù)子集。然后，R、G和B圖像幀由三個(gè)R、G和B顯示面板同時(shí)顯示以在投影平面13上互相疊加。圖5A示意性地示出對(duì)于投影平面13上的特定像素，R、G和B圖像幀是如何互相疊加的。
另一方面，在常規(guī)單面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)中，用于R、G和B光線的像素區(qū)域在單顯示面板內(nèi)的相互不同的位置處被提供。依照應(yīng)表示R、G和B圖像幀的數(shù)據(jù)，R、G和B光線被其相應(yīng)的像素區(qū)域調(diào)制，由此在投影平面上形成彩色圖像。在此情況下，具有比人視覺的空間分辨率小的尺寸的投影平面上的區(qū)域被用R、G和B光線照射。因此，盡管R、G和B光線實(shí)際上在空間上被彼此分離，人眼感覺好象是單個(gè)像素在投影平面上被形成。圖5B示意性地示出投影平面13上的一個(gè)特定像素實(shí)際上如何被用R、G和B光線照射。
相比之下，不象任何這些常規(guī)技術(shù)，本優(yōu)選實(shí)施例的單面板投影型光學(xué)顯示系統(tǒng)用已由單顯示面板8相互不同的像素區(qū)域調(diào)制的R、G和B光線順序地照亮投影平面13上相同的區(qū)域，由此在這個(gè)相同的區(qū)域上形成像素。也就是說，取投影平面13上的任意像素，該像素通過類似于已知場(chǎng)序制技術(shù)的方法被顯示。然而，這個(gè)實(shí)施例的方法完全不同于常規(guī)場(chǎng)序制技術(shù)，因?yàn)榻M成一個(gè)像素的R、G和B光線已被單顯示面板相互不同的像素區(qū)域調(diào)制。圖5C示意性地示出在時(shí)間上被順序照射的R、G和B光線在一個(gè)幀周期內(nèi)如何為投影平面13上的特定像素而被組合。圖5C的左手側(cè)所示的三個(gè)圖像對(duì)應(yīng)于由單顯示面板8產(chǎn)生的三個(gè)相互不同的圖像子幀。
如從圖5A到5C可容易看到的，盡管僅一個(gè)顯示面板被用于本實(shí)施例，仍能以與由三面板型所實(shí)現(xiàn)的一樣高的分辨率和亮度來顯示全色圖像。
接下來，將參照?qǐng)D6具體描述圖像子幀如何被形成。
圖6的左手側(cè)示出被分別存儲(chǔ)于R、G和B幀存儲(chǔ)器上的表示R、G和B圖像幀的三個(gè)數(shù)據(jù)集。另一方面，圖6的右手側(cè)示出顯示子幀No.1、2和3。在這個(gè)實(shí)施例中，由顯示子幀No.1表示的圖像在幀周期的第一個(gè)三分之一(即，第一子幀周期)期間被顯示于投影平面上。在接下來的三分之一(即，第二子幀周期)期間，由顯示子幀No.2表示的圖像被顯示。而在最后的三分之一(即，第三子幀周期)期間，由顯示子幀No.3表示的圖像被顯示。在這個(gè)實(shí)施例中，這三個(gè)圖像子幀如圖7中所示在被相互移位時(shí)被顯示，并且在時(shí)間上順序地被組合在一起。作為結(jié)果，如圖4的(a)所示的原始圖像被觀察者的眼睛識(shí)別。
接下來，將通過取顯示子幀No.1作為實(shí)例來具體描述數(shù)據(jù)如何被安排于圖像子幀中。
如圖6中所示，表示顯示子幀No.1的像素區(qū)域第一行的數(shù)據(jù)為被存儲(chǔ)于R幀存儲(chǔ)器中關(guān)于第一行R1上像素的數(shù)據(jù)。表示顯示子幀No.1的像素區(qū)域第二行的數(shù)據(jù)為被存儲(chǔ)于G幀存儲(chǔ)器中關(guān)于第二行G2上像素的數(shù)據(jù)。表示顯示子幀No.1的像素區(qū)域第三行的數(shù)據(jù)為被存儲(chǔ)于B幀存儲(chǔ)器中關(guān)于第三行B3上像素的數(shù)據(jù)。而表示顯示子幀No.1的像素區(qū)域第四行的數(shù)據(jù)為被存儲(chǔ)于R幀存儲(chǔ)器中關(guān)于第四行R4上像素的數(shù)據(jù)。此后，表示顯示子幀No.1的其余行的數(shù)據(jù)將以相同的方式被安排。
表示顯示子幀No.2或3的數(shù)據(jù)亦如在顯示子幀No.1中被采集(collect)。例如，對(duì)于顯示子幀No.2，表示其像素區(qū)域第零行的數(shù)據(jù)為被存儲(chǔ)于B幀存儲(chǔ)器中第一行B1上關(guān)于像素的數(shù)據(jù)。表示顯示子幀No.2的像素區(qū)域第一行的數(shù)據(jù)是被存儲(chǔ)于R幀存儲(chǔ)器中第二行R2上關(guān)于像素的數(shù)據(jù)。表示顯示子幀No.2的像素區(qū)域第二行的數(shù)據(jù)為被存儲(chǔ)于G幀存儲(chǔ)器中第三行G3上關(guān)于像素的數(shù)據(jù)。表示顯示子幀No.2的像素區(qū)域第三行的數(shù)據(jù)為被存儲(chǔ)于B幀存儲(chǔ)器中第四行B4上關(guān)于像素的數(shù)據(jù)。
以這種方式，從R、G和B幀存儲(chǔ)器被讀出的數(shù)據(jù)子集以預(yù)定順序被組合，由此編譯(compile)表示每個(gè)欲被時(shí)間上順序顯示的子幀的數(shù)據(jù)。這樣，表示每個(gè)子幀的數(shù)據(jù)包含關(guān)于所有R、G和B三原色的信息。然而，從空間上講，對(duì)于這些色R、G和B的每個(gè)，所包含的信息為大約整個(gè)屏幕的僅三分之一。更具體地，如從圖6可容易看到的，被包含于顯示子幀No.1的R信息僅與欲被形成的圖像幀的第一、第四、第七、第十像素行等有關(guān)。關(guān)于圖像幀其它像素行的R信息被分配給顯示子幀No.2和3。
在這個(gè)實(shí)施例中，關(guān)于相同色的信息總是在顯示面板的每個(gè)像素區(qū)域中被顯示。然而，移位和投影相應(yīng)子幀合成了該子幀以形成完整的圖像幀。應(yīng)指出，顯示面板顯示區(qū)域中的像素行的總數(shù)比組成如圖6所示的一個(gè)子幀圖像的像素行數(shù)大二。這兩個(gè)附加的行被提供作為用于圖像移位的余量(margin)。
接下來將參照?qǐng)D8和9描述被相互移位的這些圖像子幀如何被合成在一起成為一個(gè)圖像幀。
參考圖8A，所示為示出被投影到投影平面如屏幕上的三個(gè)圖像子幀相應(yīng)部分的透視圖。在圖8A中，顯示子幀No.1、2和3以及合成圖像從左到右被示意性地示出。包括其第三到第七行的顯示子幀No.1的部分、包括其第二到第六行的顯示子幀No.2的部分以及包括其第一到第五行的顯示子幀No.3的部分在投影平面上被在空間上一個(gè)在另一個(gè)上疊加，盡管這些部分是在時(shí)間上以相互不同的點(diǎn)處被投影到那里的。作為結(jié)果，單個(gè)圖像幀被形成。
如圖8B所示，用于R、G和B部分的像素區(qū)域被固定于顯示面板上。然而，圖像子幀的光程通過被提供于顯示面板和投影平面之間的光學(xué)移位器而被移位，由此實(shí)現(xiàn)如圖8A所示的圖像子幀的合成。
以下將描述如何移位圖像子幀。
本實(shí)施例的光學(xué)移位器通過準(zhǔn)備如圖9(或圖10)中所示的兩對(duì)元件并如圖11所示在光程上串聯(lián)安排這兩對(duì)元件而被獲得。圖9或10所示的每對(duì)元件包括第一元件g1和第二元件g2。第一元件g1從好象根本不旋轉(zhuǎn)其偏振軸而透射入射光線的狀態(tài)到旋轉(zhuǎn)入射光線偏振軸90度的狀態(tài)進(jìn)行切換，或反之亦然。第二元件g2顯示出雙折射并具有厚度t。在圖9到11中所示的實(shí)例中，第一元件g1為液晶盒，并且可通過控制欲被施加給液晶盒液晶層的電壓的ON/OFF狀態(tài)來在這兩個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。第二元件g2可由例如石英來制成。
在圖9中所示的狀態(tài)中，例如5伏的電壓被施加給第一元件g1，而入射光線根本不旋轉(zhuǎn)其偏振軸而經(jīng)過第一元件g1并進(jìn)入第二元件g2。由于第二元件g2顯示出一些雙折射，當(dāng)離開第二元件g2時(shí)，光線將使其光軸被移動(dòng)ΔD。更具體地，進(jìn)入第二元件g2的光線的普通線分量(ordinary ray component)直接經(jīng)過第二元件g2，而其特別線分量(extraordinary ray component)被朝著第二元件g2的光軸移位。位移ΔD可通過第二元件g2的厚度t來調(diào)節(jié)。第二元件g2可由石英或任何其它有雙折射的單軸晶體材料制成。其它優(yōu)選材料的實(shí)例包括鈮酸鋰(lithium niobate)、方解石、云母、金紅石(TiO2)和鈉硝石(NaNO3)。如果顯示系統(tǒng)的總重量應(yīng)被減小，如在頭戴式顯示器(HMD)中，具有相對(duì)大的折射率各向異性Δn的鈮酸鋰或金紅石被優(yōu)選地使用。當(dāng)?shù)诙2由這種高Δn材料制成時(shí)，通過有被減小厚度的雙折射元件g2來實(shí)現(xiàn)最小所需移位。這樣，這種材料可被有效地用于減小顯示系統(tǒng)的整體尺寸和重量。
另一方面，在圖10中所示的狀態(tài)中，基本上沒有電壓被施加給第一元件g1，而入射光線通過第一元件g1使得其偏振軸旋轉(zhuǎn)近似90度。作為結(jié)果，透過第二元件g2的光線將不使其光軸被移位。
本實(shí)施例的光學(xué)移位器通過準(zhǔn)備如圖9(或圖10)中所示的兩對(duì)移位元件并如圖11所示在光程上串聯(lián)安排這兩對(duì)移位元件而被獲得。在包括多對(duì)移位元件的這種光學(xué)移位器中，投影平面上三個(gè)不同位置之一可依照光程上光入射側(cè)和光出射側(cè)的兩個(gè)液晶層的電壓應(yīng)用狀態(tài)而被選擇。也就是說，三個(gè)不同位置之一依照光出射側(cè)第一液晶層電壓應(yīng)用狀態(tài)(即，ON或OFF狀態(tài))與光出射側(cè)第二液晶層電壓應(yīng)用狀態(tài)(即，ON或OFF狀態(tài))的具體組合而被選擇。
另一方面，如上所述，R、G和B線以相互不同的角度入射到LCD面板8上。特別地，G和B線與R線水平地限定±7.6度的角度。因此，LCD面板8需要在屏幕的水平方向上具有展寬的視角。為此目的，LCD面板中的液晶分子優(yōu)選地使其方位方向被排列，以在屏幕上限定相對(duì)于垂直方向(即，在本優(yōu)選實(shí)施例中的移位方向)大約45度的角度或45度左右(即，大約40度到大約55度)的角度。也就是說，液晶分子優(yōu)選地具有大約90度的扭轉(zhuǎn)角或大約80度到大約110度的扭轉(zhuǎn)角。
如果LCD面板液晶層中的液晶分子被對(duì)準(zhǔn)這樣的方向，則離開這種LCD面板的光線在屏幕上具有與水平方向限定為大約45度的角度或45度左右的角度(即，大約40度到大約55度的角度)的偏振方向。另一方面，光學(xué)移位器的移位方向在本實(shí)施例中在屏幕上為垂直方向。因此，除非顯示面板出射光線的偏振方向繞其光軸右旋或左旋，普通線和特別線將入射到光學(xué)移位器的石英(雙折射)元件上，由此產(chǎn)生鬼像。也就是說，為避免這種不需要的現(xiàn)象，顯示面板出射光線的偏振方向應(yīng)沿繞其光軸的任一方向旋轉(zhuǎn)以垂直或平行于移位方向。
如圖11中所示，本優(yōu)選實(shí)施例的特征在于在光學(xué)移位器的光入射側(cè)提供偏振校正器g0。偏振校正器g0有選擇地旋轉(zhuǎn)入射光線(在此情況下即，LCD面板的出射光線)的偏振方向。在圖11中所示的優(yōu)選實(shí)施例中，偏振校正器g0被提供于顯示面板和光學(xué)移位器之間。可選地，偏振校正器g0可被與光學(xué)移位器組合。也就是說，本優(yōu)選實(shí)施例光學(xué)移位器和偏振校正器g0的組合可被用作有偏振校正功能的單個(gè)光學(xué)移位器。
例如，TN模式液晶盒可被用作這種偏振校正器g0。然而，偏振校正器g0不必切換偏振狀態(tài)。這樣，在本實(shí)施例中，半波片被用作偏振校正器g0。作為偏振校正器g0的半波片比作為偏振校正器的TN模式液晶盒便宜。
在本實(shí)施例中，半波片具有大約225nm的延遲值(retardationvalue)，而其慢軸或快軸相對(duì)于移位方向限定大約22.5度的角度。半波片可由例如JSR Corporation生產(chǎn)的ARTON制成。
一對(duì)偏振器被安排于半波片的光入射側(cè)和光出射側(cè)以使其分別限定與移位方向的大約45度的角度和大約0度的角度。對(duì)于這種安排，透過半波片的光量被測(cè)量。結(jié)果如圖12中所示。在圖12中，橫坐標(biāo)表示入射光線的波長，而縱坐標(biāo)表示透射的光量或透射比T2/T1，其中T1為入射光線的強(qiáng)度而T2為出射光線的強(qiáng)度。
如從圖12可看到的，粗略地，僅普通線分量(或特別線分量)進(jìn)入光學(xué)移位器的(石英)雙折射元件，特別地在大約550nm的G線中心波長左右。這是因?yàn)樵诒緝?yōu)選實(shí)施例的安排中，入射光線的偏振狀態(tài)在進(jìn)入光學(xué)移位器的雙折射元件之前被校正。
如上所述，依照本優(yōu)選實(shí)施例，即使顯示面板出射光線的偏振軸未與移位方向?qū)?zhǔn)，適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)移位亦通過偏振校正器而被實(shí)現(xiàn)。因此，所選圖像子幀可正如所想要的用關(guān)于總在顯示面板每個(gè)像素區(qū)域處顯示的相同色的信息并用為光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化的其方位方向來移位。以這種方式，每個(gè)像素區(qū)域可逐個(gè)子幀地呈現(xiàn)關(guān)于不同位置(或像素)的信息，由此實(shí)現(xiàn)高分辨率。
同時(shí)，為增加反射效率，分色鏡4到6優(yōu)選地被設(shè)計(jì)以有選擇地反射被偏振的光線，該光線垂直或平行于包括入射光線和反射光線(光軸)的平面(即，圖1的紙面)而振動(dòng)。然而，如在本優(yōu)選實(shí)施例中，如果LCD面板出射光線的偏振方向與屏幕上水平方向限定大約45度的角度或45度左右(即，大約40度到大約55度)的角度，則分色鏡4到6亦需要被設(shè)計(jì)以反射被偏振的光線，該光線具有這樣的偏振方向限定與包括入射光線和反射光線的平面的大約45度的角度或45度左右(即，大約40度到大約55度)的角度，不過以這種方式被設(shè)計(jì)的分色鏡4到6將具有被降低的波長分離能力或反射效率。
為避免分色鏡4到6波長分離能力或反射效率的降低，類似于上述半波片的另一半波片被優(yōu)選地提供于LCD面板的光入射側(cè)。則本優(yōu)選實(shí)施例的液晶顯示設(shè)備亦可具有通常高度有效的安排，在其中具有與包括入射光線和反射光線的平面垂直或平行的偏振方向的偏振光線進(jìn)入分色鏡4到6。
實(shí)施例2在以下，本發(fā)明的第二特定優(yōu)選實(shí)施例將被描述。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一層疊半波片被用作偏振校正器g0以旋轉(zhuǎn)偏振方向。
通過使用如由S.Pancharatnam在“Achromatic Combinations ofBirefringent Plates(雙折射片的消色差組合)”，Proceedings ofIndian Academy of Sciences(印度科學(xué)院論文集)Vol.XLI，No.4Sec.A，1955，pp.130-136和pp.137-144中所公開的層疊波片，改進(jìn)了消色差性能。
具體地，用于在本優(yōu)選實(shí)施例中使用的偏振校正器g0包括第一半波片和第二半波片，其被以這樣的順序?qū)盈B以使光進(jìn)入第一半波片比第二半波片早。為增加大規(guī)模生產(chǎn)率，用于在本優(yōu)選實(shí)施例中使用的兩個(gè)半波片優(yōu)選地由相同材料制成并優(yōu)選地被設(shè)計(jì)以具有相同的延遲值。特別地，兩個(gè)半波片可均由JSR Corporation生產(chǎn)的ARTON制成并均具有225nm的延遲值。兩個(gè)半波片優(yōu)選地被一個(gè)在另一個(gè)上層疊并被集成在一起。然而，這兩個(gè)半波片不必互相緊密接觸。還有，兩個(gè)半波片的材料或延遲值不必相同。
在本優(yōu)選實(shí)施例中，光入射側(cè)的半波片(即，第一半波片)的慢軸或快軸在屏幕上可相對(duì)于垂直方向限定大約33.75度的角度。另一方面，光出射側(cè)的半波片(即，第二半波片)的慢軸或快軸在屏幕上可相對(duì)于垂直方向限定大約11.25度的角度。換句話說，第一半波片的慢軸或快軸相對(duì)于入射光線偏振方向(或偏振軸)可限定大約11.25度的角度，而第二半波片的慢軸或快軸相對(duì)于入射光線偏振軸可限定大約33.75度的角度。
如在上述第一優(yōu)選實(shí)施例中，一對(duì)偏振器被安排于偏振校正器g0的光入射側(cè)和光出射側(cè)以使其透射軸在屏幕上與垂直方向分別限定大約45度的角度和大約0度的角度。對(duì)于這種安排，所透射的光量被測(cè)量。結(jié)果如圖13中所示。如從圖13可看到的，僅普通線分量(或特別線分量)進(jìn)入光學(xué)移位器的(石英)雙折射元件，特別在大約550nm的G線中心波長左右。
偏振校正器g0的兩個(gè)半波片不必如以上所述被安排。例如，兩個(gè)偏振器可被安排于兩個(gè)半波片的光入射側(cè)和光出射側(cè)，所述半波片不是被層疊而是在光程上被串聯(lián)安排，這樣在屏幕上其透射軸分別與垂直方向限定大約45度的角度和大約0度的角度。隨著第一和第二半波片的慢軸或快軸角度的變化，所透射的光量被測(cè)量。結(jié)果如圖14中所示。特別地，圖14示出當(dāng)?shù)谝话氩ㄆ穆S或快軸角度被改變時(shí)泄漏的光量，而圖15示出當(dāng)?shù)诙氩ㄆ穆S或快軸角度被改變時(shí)泄漏的光量。如從圖14和15可看到的，如果半波片慢軸或快軸角度與設(shè)計(jì)角度差在±3度以內(nèi)，對(duì)應(yīng)于至少100∶1的半波片反差比(contrastratio)的足夠性能可被實(shí)現(xiàn)。
因此，如果本發(fā)明的偏振校正器通過在光程上串聯(lián)安排兩個(gè)半波片而被獲得，則第一半波片優(yōu)選地被安排以使在屏幕上其慢或快軸相對(duì)于垂直方向(即，移位方向)右旋或左旋地限定大約30.8度到大約36.8度的角度。第二半波片優(yōu)選地被安排以使在屏幕上其慢或快軸相對(duì)于垂直方向右旋或左旋地限定大約8.3度到大約14.3度的角度。則所期望的效果被完全實(shí)現(xiàn)。換句話說，第一半波片優(yōu)選地被安排以使其慢或快軸相對(duì)于離開顯示面板的光線的偏振軸右旋或左旋地限定一個(gè)大約8.3度到大約14.3度的角度。另一方面，第二半波片優(yōu)選地被安排以使其慢或快軸相對(duì)于離開顯示面板的光線的偏振軸右旋或左旋地限定一個(gè)大約30.8度到大約36.8度的角度。
日本公開出版物No.7-5421公開了包括多個(gè)半波片的示例安排。然而，那些半波片被安排以形成預(yù)定傾斜角，而不能被互相層疊。此外，被公開于出版物No.7-5421中的方法為將被橢圓形偏振的光線轉(zhuǎn)變?yōu)楸痪€性偏振的光線的方法。日本公開出版物No.11-298920亦公開了包括多個(gè)半波片的示例安排。但該安排被設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)3D顯示。這樣，這兩個(gè)文件都沒有公開考慮如在上述優(yōu)選實(shí)施例中R、G和B線以相互不同的角度入射的情況的設(shè)計(jì)過程或者都不具有與本發(fā)明相同的目的。
實(shí)施例3在以下，本發(fā)明的第三特定優(yōu)選實(shí)施例將被描述。用于在這個(gè)第三優(yōu)選實(shí)施例中使用的偏振校正器g0亦包括第一半波片和第二半波片，其被以這樣的順序?qū)盈B以使第一半波片接收入射光線比第二半波片早。這兩個(gè)半波片的材料和延遲值可與為上述第二優(yōu)選實(shí)施例所采用的相同。第二和第三優(yōu)選實(shí)施例之間的僅有差別在于半波片的慢軸或快軸角度。
在本優(yōu)選實(shí)施例的偏振校正器g0中，光入射側(cè)的半波片的慢軸或快軸優(yōu)選地在屏幕上相對(duì)于垂直方向限定大約67.5度的角度。另一方面，光出射側(cè)的半波片的慢軸或快軸優(yōu)選地在屏幕上相對(duì)于垂直方向限定大約135.0度的角度。換句話說，光入射側(cè)的半波片的慢軸或快軸優(yōu)選地與入射光線偏振軸限定大約22.5度的角度，而光出射側(cè)的半波片的慢軸或快軸優(yōu)選地與入射光線偏振軸限定大約90.0度的角度。
如在上述第一優(yōu)選實(shí)施例中，一對(duì)偏振器被安排于偏振校正器g0的光入射側(cè)和光出射側(cè)以使其透射軸分別與垂直方向限定大約45度的角度和大約0度的角度。對(duì)于這種安排，所透射的光量被測(cè)量。結(jié)果如圖16中所示。如從圖16可看到的，僅特別地在大約550nm的G線中心波長左右的普通線分量(或特別線分量)進(jìn)入光學(xué)移位器的(石英)雙折射元件。
偏振校正器g0的兩個(gè)半波片不必如以上所述被安排。例如，如在上述第二優(yōu)選實(shí)施例中，兩個(gè)偏振器可被安排于兩個(gè)半波片的光入射側(cè)和光出射側(cè)，所述半波片不是被層疊而是在光程上被串聯(lián)安排，這樣在屏幕上其透射軸分別與垂直方向限定一個(gè)大約45度的角度和一個(gè)大約0度的角度。隨著第一和第二半波片的慢軸或快軸角度的變化，所透射的光量被測(cè)量。結(jié)果如圖17和18中所示。特別地，圖17示出當(dāng)?shù)谝话氩ㄆ穆S或快軸角度被改變時(shí)泄漏的光量，而圖18示出當(dāng)?shù)诙氩ㄆ穆S或快軸角度被改變時(shí)泄漏的光量。如從圖17和18可看到的，如果半波片慢軸或快軸角度與設(shè)計(jì)角度差在±3度內(nèi)，對(duì)應(yīng)于至少100∶1的半波片反差比的足夠性能可被實(shí)現(xiàn)。
因此，如果本發(fā)明的偏振校正器通過在光程上串聯(lián)安排兩個(gè)半波片而被獲得，則第一半波片優(yōu)選地被安排以使在屏幕上其慢或快軸相對(duì)于垂直方向右旋或左旋地限定一個(gè)大約64.5度到大約70.5度的角度。第二半波片優(yōu)選地被安排以使在屏幕上其慢或快軸相對(duì)于垂直方向右旋或左旋地限定一個(gè)大約132.0度到大約138.0度的角度。則所期望的效果被完全實(shí)現(xiàn)。換句話說，第一半波片優(yōu)選地被安排以使其慢或快軸相對(duì)于離開顯示面板的光線的偏振軸右旋或左旋地限定一個(gè)大約19.5度到大約25.5度的角度。另一方面，第二半波片優(yōu)選地被安排以使其慢或快軸關(guān)于離開顯示面板的光線的偏振軸右旋或左旋地限定一個(gè)大約87.0度到大約93.0度的角度。
接下來，上述第一、第二和第三優(yōu)選實(shí)施例的偏振校正器將參照?qǐng)D19被相互比較。當(dāng)兩個(gè)偏振器被安排于上述第一到第三優(yōu)選實(shí)施例的偏振校正器的每個(gè)的光入射側(cè)和光出射側(cè)以使其透射軸分別相對(duì)于移位方向限定大約45度的角度和大約0度的角度時(shí)，泄漏的光量被測(cè)量。圖19示出泄漏的光量如何隨著第一、第二和第三優(yōu)選實(shí)施例偏振校正器中入射光的波長而變化。
如從圖19可看到的，第二或第三優(yōu)選實(shí)施例的偏振校正器可在比第一優(yōu)選實(shí)施例的偏振校正器寬的波長范圍內(nèi)提供用于光學(xué)移位器雙折射元件的被適當(dāng)引導(dǎo)的(directed)、偏振的光線。這樣，作為層疊兩個(gè)半波片的偏振校正器可被看做比由僅一個(gè)半波片構(gòu)成的偏振校正器工作得好。然而，即使通過由僅一個(gè)半波片構(gòu)成的偏振校正器亦可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)好的效果。這樣，為削減成本，偏振校正器可包括僅一個(gè)半波片。
實(shí)施例4在以下，本發(fā)明的第四特定優(yōu)選實(shí)施例將被描述。在這個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)兩個(gè)偏振器被安排于任何上述優(yōu)選實(shí)施例的偏振校正器的光入射側(cè)和光出射側(cè)以使其透射軸分別與移位方向(即，屏幕上的垂直方向)限定大約45度的角度和大約0度的角度時(shí)，所透射的光量被測(cè)量。圖20示出透射比(即，所透射的光量)如何隨著極角、即由入射光線光軸與半波片的法線所限定的角度而變化。圖20中所示的多個(gè)曲線與入射光線入射到半波片上的相互不同的方位角關(guān)聯(lián)。在圖20中所示的實(shí)例中，半波片平面上的零點(diǎn)鐘方向(或垂直方向)被假設(shè)具有零度的方位角，而該平面上三點(diǎn)鐘方向(或水平方向)被假設(shè)具有90度的方位角。
如從圖20所看到的，極角越大，所透射的光量越大。換句話說，由入射光線與半波片表面所限定的傾斜角越大，可能惡化圖像質(zhì)量的泄漏光量越大。當(dāng)方位角為大約45度時(shí)，所透射光量的這種增加是尤其劇烈的。
在圖1中所示的優(yōu)選實(shí)施例中，所發(fā)射的白光被分色鏡分為三原色的三個(gè)光線。因此，R、G和B光線以相互不同的角度入射到半波片上。另外，三原色中的每個(gè)的光線不是完全平行的線，并且以幾乎20度的極角變化入射到半波片上。然而，在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，具有很小角依賴性(angular dependence)的半波片被用于防止具有不需要的偏振方向的光線進(jìn)入光學(xué)移位器。這樣，不產(chǎn)生鬼像并且圖像質(zhì)量不惡化。
具有兩個(gè)光軸的半波片可被用作具有小的角依賴性的半波片。如果半波片平面上兩個(gè)相互垂直的方向的折射率nx和ny滿足關(guān)系nx＞ny，則二軸半波片優(yōu)選地具有在厚度方向上由(nx+ny)/2＝nz表示的折射率差。當(dāng)折射率nx和ny滿足這個(gè)關(guān)系時(shí)，(nx+ny)/2-nz＝0。因此，在半波片的厚度方向上不生成相位差，并且具有很小角依賴性的半波片被實(shí)現(xiàn)。應(yīng)指出，即使(nx+ny)/2-nz不完全等于零但近似于零，亦可實(shí)現(xiàn)所需效果。例如，為實(shí)現(xiàn)具有大約1.7的F值的透鏡的極角范圍內(nèi)的100∶1的反差比，(nx+ny)/2-nz優(yōu)選地不大于(nx+ny)/2的±0.2％。
當(dāng)兩個(gè)偏振器被安排于偏振校正器的光入射側(cè)和光出射側(cè)以使其透射軸與移位方向限定大約45度的角度和大約零度的角度時(shí)，所透射的光量被測(cè)量。圖21示出透射光量(即，透射比)的角依賴性。
相互比較圖20和21所示的結(jié)果，可看到角依賴性可通過使用二軸半波片而被減小。即使偏振校正器由僅一個(gè)這種具有兩個(gè)軸的半波片構(gòu)成，偏振校正器仍具有小的角依賴性并且在實(shí)踐中起足夠適當(dāng)?shù)淖饔?。?dāng)欲被提供的半波片數(shù)可被減小時(shí)，設(shè)備成本可被有效地削減。這樣，通過僅使用一個(gè)二軸半波片作為偏振校正器，設(shè)備成本可被減小，而且不惡化圖像質(zhì)量。
依照上述本發(fā)明的各個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，即使顯示面板出射光線的偏振軸既不平行也不垂直于出射光線光程在與欲被顯示的圖像分量的切換同步地在時(shí)間上被順序移位的方向，由于偏振校正器的功能，圖像仍可如所需被移位。這樣，本發(fā)明提供了實(shí)現(xiàn)以高分辨率顯示亮且均勻的圖像并且可有效促使尺寸和成本減小的光學(xué)顯示系統(tǒng)。
盡管本發(fā)明已參照其優(yōu)選實(shí)施例被描述，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，所公開的發(fā)明能以多種方式被改動(dòng)并且可假定除以上特別描述的以外的許多實(shí)施例，這將是顯然的。因此，隨后的權(quán)利要求欲覆蓋屬于本發(fā)明真實(shí)精神和范圍的本發(fā)明的所有改動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)顯示系統(tǒng)，包括光源；顯示面板，包括多個(gè)像素區(qū)域，其每個(gè)都能調(diào)制光；以及光學(xué)移位器，其被安排以接收顯示面板的出射光線并在逐個(gè)幀的基礎(chǔ)上光學(xué)地移位顯示面板上的圖像，其中光學(xué)移位器包括第一元件，用于有選擇地改變顯示面板出射光線的偏振方向；以及第二元件，其顯示出依照入射光線偏振方向的多個(gè)不同折射率之一，并且其中顯示系統(tǒng)進(jìn)一步包括顯示面板和光學(xué)移位器之間的偏振校正器，偏振校正器將顯示面板出射光線的偏振方向變?yōu)槠叫谢虼怪庇趫D像被移位的方向的方向。
2.權(quán)利要求1的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中顯示面板為液晶顯示面板，并且其中通過在空間上調(diào)制具有與圖像將被移位的方向既不平行也不垂直的偏振方向的光，液晶顯示面板在其上形成圖像。
3.權(quán)利要求2的光學(xué)顯示系統(tǒng)，進(jìn)一步包括光源和顯示面板之間的第二偏振校正器，其中第二偏振校正器接收光，所述光具有與圖像將被移位的方向平行或垂直的偏振方向，將所接收光的偏振方向變?yōu)榕c圖像將被移位的方向既不平行也不垂直的方向，并且然后將該光傳遞給液晶顯示面板。
4.權(quán)利要求1的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中每個(gè)所述偏振校正器包括至少一個(gè)半波片。
5.權(quán)利要求4的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中偏振校正器包括在光程上被串聯(lián)安排的多個(gè)半波片。
6.權(quán)利要求5的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中偏振校正器包括第一半波片和第二半波片，其被以這樣的順序安排以使第一半波片離光源比第二半波片近，并且其中第一半波片具有慢軸或快軸，其相對(duì)于顯示面板出射光線偏振軸右旋或左旋地限定一個(gè)大約8.3度到14.3度的角度，并且其中第二半波片具有慢軸或快軸，其相對(duì)于顯示面板出射光線偏振軸右旋或左旋地限定一個(gè)大約30.8度到36.8度的角度。
7.權(quán)利要求5的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中偏振校正器包括第一半波片和第二半波片，其被以這樣的順序?qū)盈B以使第一半波片離光源比第二半波片近，并且其中第一半波片具有慢軸或快軸，其相對(duì)于顯示面板出射光線偏振軸右旋或左旋地限定一個(gè)大約19.5度到25.5度的角度，并且其中第二半波片具有慢軸或快軸，其相對(duì)于顯示面板出射光線偏振軸右旋或左旋地限定一個(gè)大約87.0度到93.0度的角度。
8.權(quán)利要求4的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中偏振校正器包括具有多個(gè)光軸的半波片。
9.權(quán)利要求4的光學(xué)顯示系統(tǒng)，其中偏振校正器包括具有多個(gè)光軸的半波片，并且其中半波片基本上滿足nz＝(nx+ny)/2，其中nx和ny為平面內(nèi)方向上半波片的折射率，而nz為厚度方向上半波片的折射率。
10.一種用于周期性地移位表現(xiàn)圖像幀的顯示面板出射光線光程的光學(xué)移位器，并且由此有選擇地將圖像幀移動(dòng)到三個(gè)或多個(gè)位置之一，該位置在相同的平面上被以直線安排并被相互間隔至少一個(gè)像素間距，其中光學(xué)移位器包括在出射光線的光程上被串聯(lián)安排的至少兩對(duì)元件，每個(gè)所述對(duì)包括第一元件和第二元件，其被以這樣的順序安排以使第一元件離顯示面板比第二元件近，并且其中第一元件有選擇地改變顯示面板出射光線的偏振方向，并且其中第二元件顯示出依照入射光偏振方向的多個(gè)不同折射率之一，并且其中光學(xué)移位器進(jìn)一步包括偏振校正器，其被安排于顯示面板和第一元件之間，所述第一元件離顯示面板比至少兩對(duì)的元件的任何之一近，并且其將顯示面板出射光線的偏振方向變?yōu)榕c光程被移位的方向平行或垂直的方向。
11.權(quán)利要求10的光學(xué)移位器，其中偏振校正器包括至少一個(gè)半波片。
12.權(quán)利要求10的光學(xué)移位器，其中偏振校正器包括在光程上被串聯(lián)安排的多個(gè)半波片。
13.權(quán)利要求12的光學(xué)移位器，其中偏振校正器包括第一半波片和第二半波片，其被以這樣的順序安排以使第一半波片離顯示面板比第二半波片近，并且其中第一半波片具有慢軸或快軸，其相對(duì)于光程將被移位的方向右旋或左旋地限定大約30.8度到36.8度的角度，并且其中第二半波片具有慢軸或快軸，其相對(duì)于光程將被移位的方向右旋或左旋地限定大約8.3度到14.3度的角度。
14.權(quán)利要求12的光學(xué)移位器，其中偏振校正器包括第一半波片和第二半波片，其被以這樣的順序?qū)盈B以使第一半波片離顯示面板比第二半波片近，并且其中第一半波片具有慢軸或快軸，其相對(duì)于光程將被移位的方向右旋或左旋地限定大約64.5度到70.5度的角度，并且其中第二半波片具有慢軸或快軸，其相對(duì)于光程將被移位的方向右旋或左旋地限定大約132.0度到138.0度的角度。
15.權(quán)利要求12的光學(xué)移位器，其中偏振校正器包括具有多個(gè)光軸的半波片。
全文摘要
一種光學(xué)顯示系統(tǒng)包括光源；顯示面板，包括多個(gè)像素區(qū)域，其每個(gè)都能調(diào)制光；以及光學(xué)移位器，其被安排以接收顯示面板的出射光線并在逐幀的基礎(chǔ)上從光學(xué)上移位顯示面板上的圖像。光學(xué)移位器包括第一元件，用于有選擇地改變顯示面板出射光線的偏振方向；以及第二元件，其顯示出依照入射光線偏振方向的多個(gè)不同折射率之一。在顯示面板和光學(xué)移位器之間提供了的偏振校正器，其將顯示面板出射光線的偏振方向變?yōu)榕c圖像被移位的方向平行或垂直的方向。
文檔編號(hào)G02B5/30GK1437053SQ03104379
公開日2003年8月20日 申請(qǐng)日期2003年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月5日
發(fā)明者加藤浩巳, 宮地弘一 申請(qǐng)人:夏普公司