專利名稱：用于調(diào)制與相位調(diào)制器相互作用的光的相位調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對與相位調(diào)制器相互作用的圓偏振光的相位進(jìn)行調(diào)制的相位調(diào)制器。本發(fā)明還涉及一種用于顯示二維和/或三維圖像內(nèi)容的顯示器。
背景技術(shù)：
根據(jù)1995年潘查阿特納姆(S. Pancharatnam)在印度科學(xué)院學(xué)報第137頁(Proc.Ind. Acad. Sci. , p. 137)的文章，由于使用圓偏振光并且λ/2板在其平面中旋轉(zhuǎn)，因而可以調(diào)制光的相位。這在圖I在示意性地表示。圓偏振光落到λ/2板上。圓偏振光的旋轉(zhuǎn)方 向改變。另外，相位的出現(xiàn)取決于λ/2板的光軸在平面中的角度。如果λ/2板轉(zhuǎn)動角度Φ (圖I的下部)，那么射出處的相位將改變角度2Φ。所以相位的改變是λ/2板旋轉(zhuǎn)角度的兩倍。因此，通過轉(zhuǎn)動λ /2板180度實現(xiàn)360度(2 )的相位調(diào)制或相位改變。代替機械地旋轉(zhuǎn)λ /2板的是，可以在基于液晶(LC)的光調(diào)制器中轉(zhuǎn)動LC分子的長軸,例如通過施加電場來引發(fā)。然而，當(dāng)這樣做時，向列型(nematic) LC通常僅對絕對值起作用，而對所施加電壓的符號不起作用。只有給予LC分子一定的表面方向以及像素平面中的電場，LC分子才能夠在O到最大90度之間旋轉(zhuǎn)，如在共面切換液晶模式(IPS LC模式)中，其中以一相對于表面方向的角度施加電場并且該角度能夠達(dá)到90度。例如屏蔽偏振的層列型液晶(PSS LC)模式中使用的層列型液晶(Smectic LC),當(dāng)場符號改變時，將改變它們的旋轉(zhuǎn)方向。然而，這樣的LC不能+90度旋轉(zhuǎn)或-90度旋轉(zhuǎn)。與向列型液LC相比，層列型LC的分子成層排列，并且當(dāng)維持這種層狀結(jié)構(gòu)時，各分子將不能90度旋轉(zhuǎn)。因此，使用常規(guī)的LC模式不能夠獲得期望的180度的LC分子旋轉(zhuǎn)角度范圍。文獻(xiàn)DE 10 2009 045 125. O 和國際專利申請 PCT/EP2010/064504 描述了一種解決這個問題的方案，其通過將可切換表面排列與所述LC模式的其中一種相結(jié)合，擴大LC分子旋轉(zhuǎn)的角度范圍。這種解決方案的缺點是它需要更復(fù)雜、費用更高的制造和控制過程。這是因為，當(dāng)制造空間光調(diào)制器(SLM)時，必須在基板上施加含有不同于當(dāng)今用于顯示板生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)材料的特殊對齊層。當(dāng)對SLM尋址時，可能需要生成用于切換表面方向和用于直接控制LC分子的分別的信號。如果為了通過結(jié)合這兩個信號設(shè)置各相位值而需要這兩個信號一個接一個，則對SLM的像素尋址時，可能還需要更快的信號傳輸。WO 2008/104533 Al和相似內(nèi)容的公開、例如2009年歐洲顯示國際會議[I]和2009年國際信息顯不器會議[2]的會議資料,描述了一種混合排列向列式LC模式(HAN)。夾在兩個基板之間的LC分子與一個基板表面垂直對齊,但是平行于另一個基板表面。該表面方向是固定的。例如在IPS或扭曲向列型(twisted nematic) (TN)模式的設(shè)置中通常是平行方向，然而在垂直排列(VA)模式的設(shè)置中通常是垂直方向。這兩個基板需要不同的對齊層，但是兩種類型都可以以LCD行業(yè)公知的標(biāo)準(zhǔn)流程制成。在最簡單的理論模型中，LC分子通常被稱為“剛性桿(rigid rods)”。與這個簡單的假設(shè)相偏離的是，例如，LC分子還可以具有彎曲的“香蕉形”形狀或棒狀的“梨形”形狀。而在兩種理想的桿中，平行和不平行的方向盡量相等，然而，在可選擇的形狀中，尤其是在引起變形的情況下，如張開或彎曲形狀，相對于不平行方向，梨或香蕉形分子最好是平行方向。因此，LC分子的變形以對應(yīng)的分子形狀在LC材料中引起偏振。這就是所謂的“撓曲電效應(yīng)(flexo-electric effect)”。如果出現(xiàn)撓曲電偏振,那么LC分子具體地對于所施加的電場符號作出反應(yīng)。在HAN設(shè)置中，這種引起的變形由LC在兩個基板表面的不同表面方向和各個LC之間的彈力造成(由于在LC層的整個厚度中從平行到垂直方向的連續(xù)轉(zhuǎn)換)，由此產(chǎn)生撓曲電偏振。如果施加平面內(nèi)電場，那么LC分子或它們在顯示器平面(其平行于SLM的基板表面)的投射將旋轉(zhuǎn)。由于撓曲電偏振，分子的旋轉(zhuǎn)方向?qū)⑷Q于電壓的符號。文獻(xiàn)WO2008/104533 Al描述了將電極設(shè)置在IPS顯示器中的設(shè)置以及將額外的基極置于同一基板(如在邊緣場開關(guān)(FFS)顯示器中)的設(shè)置。文獻(xiàn)WO 2008/104533 Al進(jìn)一步描述了將平 面內(nèi)電極或FFS電極選擇性地置于LC分子平行方向的基板上或LC分子垂直方向的基板上的設(shè)置。前者在文獻(xiàn)中描述為具有正△ ε的LC材料的實施例,后者在文獻(xiàn)中描述為具有負(fù)Λ ε的LC材料的實施例。根據(jù)文獻(xiàn)WO 2008/104533 Al，這些設(shè)置的目的是實現(xiàn)對兩個切換過程(開和關(guān))的短的響應(yīng)時間，因為這兩個過程都由一個可以使用不同電壓符號的場控制。就振幅調(diào)制而言，使用線性偏振光，并且所需的LC分子旋轉(zhuǎn)角度僅在-45度到+45度的范圍內(nèi)。
在文獻(xiàn)WO 2008/104533 Al以及相關(guān)公開文獻(xiàn)[I]所描述的電極設(shè)置中，類似于IPS的設(shè)置，對每隔一個電極提供相同的電壓。這就是說兩個電極之間的正電場和負(fù)電場出現(xiàn)在交替的設(shè)置中。因此，LC分子的旋轉(zhuǎn)方向也在一個像素內(nèi)的小區(qū)域中交替。這對振幅調(diào)制器來說并不重要，因為振幅調(diào)制取決于絕對值而非旋轉(zhuǎn)角度的符號。然而，就相位調(diào)制而言，這種設(shè)置將是不適合的，因為不同的相位值將在一個像素內(nèi)的不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)。FFS型電極設(shè)置也存在同樣的問題。如公開文獻(xiàn)[2]中的圖3所示，盡管在每隔一個空間中將實現(xiàn)不同的LC分子旋轉(zhuǎn)方向，但是在網(wǎng)格的兩個電極之間的一半空間中實現(xiàn)一個旋轉(zhuǎn)方向。這種設(shè)置也適于振幅調(diào)制，但不適于相位調(diào)制。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種基于LC的光調(diào)制器或相位調(diào)制器，其用于在大約2 π的相位值范圍內(nèi)調(diào)制光的相位，并且其工作原理是基于LC分子的平面內(nèi)分量的旋轉(zhuǎn)。需要找到一種在制造和控制方面比LC模式的結(jié)合(例如具有如文獻(xiàn)DE 10 2009 045125. O所述的可轉(zhuǎn)換表面排列的IPS或PSS)更簡單且成本更低的設(shè)置。上述目的通過一種根據(jù)權(quán)利要求I的用于對與相位調(diào)制器相互作用的圓偏振光的相位進(jìn)行調(diào)制的相位調(diào)制器解決。該相位調(diào)制器包含第一和第二基板、電極設(shè)置以及具有液晶分子的液晶層。第一基板與第二基板相對而置。第一基板最好實質(zhì)上平行于第二基板設(shè)置。液晶層置于兩個基板之間。第一基板具有第一表面或表面層，第二基板具有第二表面或表面層。第一表面制成以實質(zhì)上平行于第一表面的方向排列緊鄰第一表面的液晶分子。第二表面制成以實質(zhì)上垂直于第二表面的方向排列緊鄰第二表面的液晶分子。控制電極設(shè)置，使得液晶分子方向的平面內(nèi)分量可以設(shè)定在大約180度的角度范圍內(nèi)、例如在相對于可指定中心方向的-90度到+90度之間。具體地，根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器或光調(diào)制器依循空間光調(diào)制器(SLM)的工作原理，即，可以根 據(jù)相位調(diào)制器的實際空間位置特定地影響或調(diào)制與相位調(diào)制器相互作用的光的相位，具體地，這取決于相位調(diào)制器的實際控制狀態(tài)。提供根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器用于與圓偏振光相互作用。如果光源的光不表現(xiàn)出圓偏振，可以在根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器的入射側(cè)提供適當(dāng)?shù)钠鹌衿?。根?jù)本發(fā)明，為了可選擇地實現(xiàn)LC分子方向的平面內(nèi)分量的旋轉(zhuǎn)，例如從O到+90度或從O到-90度，使用一種HAN設(shè)置，這取決于電場的符號，從而通過控制所施加的電壓實現(xiàn)整體在O到2 π之間的相位調(diào)制。-90度的LC分子方向的平面內(nèi)分量與O相位調(diào)制相對應(yīng)，O度的LC分子方向的平面內(nèi)分量與π相位調(diào)制相對應(yīng)，以及+90度的LC分子方向的平面內(nèi)分量與2 π相位調(diào)制相對應(yīng)。LC層的厚度最好選擇為其光學(xué)功能是λ/2板的光學(xué)功能。如果在相位調(diào)制器的出射側(cè)提供圓偏振器，不同厚度的LC層也是允許的，也可以用于相位調(diào)制。然而，由于厚度不同，不利地降低了相位調(diào)制器的透射率。根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器最好可以設(shè)計用于一個以上的波長(例如紅色、綠色和藍(lán)色光)，其中液晶層的厚度是經(jīng)過選擇的，以使其光學(xué)功能對于中間波長(例如綠光)來說是λ /2板的光學(xué)功能。通常，LC層的厚度選擇為其光學(xué)功能是延遲板(retardation plate)的光學(xué)功能。在相位調(diào)制SLM中，置于像素表面的典型的多電極的梳狀設(shè)置在該像素中產(chǎn)生均勻的平面內(nèi)電壓梯度。電壓梯度的符號決定LC分子的旋轉(zhuǎn)方向，梯度的傾斜度決定液晶分子的旋轉(zhuǎn)角度。類似的相位調(diào)制器設(shè)置也可以用于反射型顯示器，其中由于光通過反射型相位調(diào)制SLM兩次，所以+45度到-45度之間的更小角度范圍就可足夠?qū)崿F(xiàn)2 π相位調(diào)制或者最好是λ/4板的光學(xué)功能的更薄的液晶層，并且能夠使用整個角度范圍。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器可以設(shè)計成使其在透射型或反射型環(huán)境都可以運行。具體地，可以以與文獻(xiàn)DE 10 2009 045 125. O和國際專利申請PCT/ΕΡ2010/064504中描述的相位偏轉(zhuǎn)器相類似的方式使用根據(jù)本發(fā)明的相位偏轉(zhuǎn)器。因此，文獻(xiàn)DE 10 2009 045 125. O和國際專利申請PCT/EP2010/064504公開的內(nèi)容全部包含于此。例如在文獻(xiàn)10 2009 028 626. 8和國際專利申請PCT/EP2010/058625中描述的如相位偏轉(zhuǎn)器這樣的衍射光學(xué)元件可以在全息顯示器中使用，用于觀察者跟蹤，在這些文獻(xiàn)中這些元件被稱為衍射裝置。由于可以例如以與文獻(xiàn)DE 10 2009 028 626. 8和PCT/EP2010/058625中描述的衍射裝置相類似的方式使用根據(jù)本發(fā)明的相位偏轉(zhuǎn)器，所以文獻(xiàn)DE 10 2009 028626. 8和國際專利申請PCT/EP2010/058625公開的內(nèi)容全部包含于此?；谙辔徽{(diào)制原理、以與文獻(xiàn)DE 10 2009 028 626. 8和PCT/EP2010/058625所述相類似的方式使用并且其電極間距與LC層厚度大致處在同一數(shù)量級內(nèi)的可變偏轉(zhuǎn)光柵可以通過離散地控制各平面內(nèi)的電極實現(xiàn)。在此，最好像在偏振光柵中一樣設(shè)定周期性旋轉(zhuǎn)的LC方向的平面內(nèi)分量，從而在一個光柵周期內(nèi)實現(xiàn)LC分子的平面內(nèi)投射的O到180度之間的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這通過各電極之間的電壓梯度和各LC分子之間的彈力來實現(xiàn)。因此，如果對其進(jìn)行控制，結(jié)合可變化調(diào)整的折射率分布，可以設(shè)定液晶分子的可變化調(diào)整的方向，從而可以因此在光學(xué)應(yīng)用中設(shè)定可變光柵周期。也就是說，實現(xiàn)了可變偏振光柵。這可以通過現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)已公開的簡單方式完成。這種實現(xiàn)例如比文獻(xiàn)US 2009/0073331 Al中已公開的可變偏振光柵更簡單，其在該文獻(xiàn)中被稱為V-COPA。與文獻(xiàn)DE 10 2009 045 125. O中描述的程序相比，使用行業(yè)中普遍的方法制成的LC分子的常規(guī)固定表面方向最好可以用在本發(fā)明的內(nèi)容中，例如通過刷基板表面涂層的方式。因此，對制造和控制根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器的要求更低。與PSS LC模式相比，可以使用向列型LC。通常，后者更容易處理(填充、排列)。進(jìn)一步地，還可以利用如文獻(xiàn)W02008/104533 Al所述的快速開/關(guān)開關(guān)進(jìn)行相位調(diào)制。對于偏轉(zhuǎn)裝置，還可以利用偏振光柵所具有的聞衍射效率。現(xiàn)在，相位調(diào)制器可以設(shè)計為由于衍射與相位調(diào)制器相互作用的光在可指定的方向上可變地偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)光柵的功能。然后，根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器將適合于與例如文獻(xiàn)DE 10 2009 028 626. 8所述相類似的應(yīng)用。為此，如果因此而控制相位調(diào)制器的電極設(shè)置中的電極，由于相對應(yīng)的折射率分布將出現(xiàn)在液晶分子層，因此可以設(shè)定液晶分子的可指定的方向，進(jìn)而實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)光柵的功能。
可以控制相位調(diào)制器的電極設(shè)置中的電極，以使光或光束在可變指定的方向上偏轉(zhuǎn)，這取決于光束射到相位調(diào)制器的位置?？蛇x擇地，相位調(diào)制器可以包含單獨的像素。這樣，其可以作為例如根據(jù)文獻(xiàn)WO2006/066919 Al的全息顯示器的光學(xué)組件，其中為了全息顯示器重建和呈現(xiàn)三維場景，將全息圖信息寫入該光學(xué)組件。相位調(diào)制器中的每個像素包含電極設(shè)置的至少兩個電極?？梢钥刂齐姌O設(shè)置，以使在像素區(qū)域中、尤其是在相位調(diào)制器中的像素區(qū)域中實現(xiàn)實質(zhì)上恒定的電壓梯度。可以控制電極設(shè)置，以使在兩個相鄰電極之間、尤其在相位偏轉(zhuǎn)器中的兩個相鄰電極之間實現(xiàn)實質(zhì)上恒定的電壓差。在常規(guī)的IPS光調(diào)制器的IPS像素中，LC方向僅受到電壓的平方的影響，例如圖3所示，通常使用類似于兩個相互交錯的梳子的電極結(jié)構(gòu)。只需要兩個電壓值，即一個與一個梳子(普通電極)的電極相對應(yīng)的電壓值和一個與另一個梳子的電極相對應(yīng)的電壓值。這就是說，具有不同符號(+V和-V)的電壓施加于交替設(shè)置的兩個平面內(nèi)電極之間。然而，在根據(jù)本發(fā)明的光調(diào)制器的像素中，兩個相鄰電極之間始終需要相同符號的電壓。也就是說，可變地升高或降低的電壓值，這取決于相位值，必須施加在像素內(nèi)電極設(shè)置中的各電極上?？刂葡袼厮璧碾妷褐狄虼丝梢员仍谄渌麹C模式(例如IPS)更高。在一個優(yōu)選實施例中，基板的表面因此具有用第一和第二構(gòu)造區(qū)域構(gòu)造的表面涂層或?qū)R層。第一和第二構(gòu)造區(qū)域設(shè)置為彼此緊鄰而且在相鄰電極之間，并且設(shè)計成使得和第一構(gòu)造區(qū)域有聯(lián)系的液晶與和第二構(gòu)造區(qū)域有聯(lián)系的液晶實質(zhì)上不平行地排列。因此，可以為液晶的混合排列在至少一個基板的表面上提供構(gòu)造的對齊層。這最好是液晶實質(zhì)上平行于表面方向的基板的表面。例如，如果對齊層由聚酰亞胺制成并且機械地摩擦，該結(jié)構(gòu)與該聚酰亞胺對齊層的不同區(qū)域的不平行的摩擦方向相對應(yīng)。然而，通常還可以使用不同材料和不同的制造方法，例如通過光配向法(photo-alignment)實現(xiàn)這種排列。在光配向法的情況下，將可以在空間構(gòu)建中使用掩模，以便被掩模覆蓋的區(qū)域的表面方向與掩模未覆蓋的區(qū)域不同。該結(jié)構(gòu)的尺寸制成使得一個方向?qū)?yīng)于具有平面內(nèi)電極的基板上的一對相鄰電極之間的空間，并且實質(zhì)上相反的方向?qū)?yīng)于這對相鄰電極之間的空間?？蛇x擇地，該結(jié)構(gòu)還可以施加于其特征不在于電極的基板。然而，對齊層的構(gòu)造區(qū)域必須與相對的基板的電極相匹配。在這些情況下，混合排列的液晶起作用，以致于如果施加正電壓，一個電極對上的液晶將順時針旋轉(zhuǎn)。如果在之后的電極對上施加負(fù)電壓，液晶將順時針旋轉(zhuǎn)。最好可以在相互交錯的梳狀平面內(nèi)電極提供這樣的像素，并且以與常規(guī)IPSLC顯示板相同的方式進(jìn)行控制。文獻(xiàn)DE 10 2009 002 987 Al描述了一種用于相位調(diào)制的可控裝置，其基于PSSLC模式并且其每個LC調(diào)制器單元依實際寫入的相位值以正或負(fù)電壓值局部尋址。例如負(fù)電壓用于設(shè)定O到π之間的相位值，正電壓用于設(shè)定π到2π之間的相位值。在此，一定要注意的是，在顯示器中通常使用AC電壓，S卩，這樣在一個幀或圖像時，在像素施加正電壓，在下一個幀時，施加負(fù)電壓。這用于規(guī)避LC材料的化學(xué)分解以及如果長時間施加DC電壓而發(fā)生的電荷載體效應(yīng)。在僅受所施加電壓的平方影響的常規(guī)LC模式下，電壓符號的改變對LC方向沒有任何影響。然而，如果PSS模式用于振幅調(diào)制器，不同的符號引起兩種不同的LC方向，但是這兩種不同的LC方向具有相同的透射率。相反，改變在PSS相位調(diào)制器 中施加的電壓的符號將導(dǎo)致以不需要的方式改變相位值。文獻(xiàn)DE 10 2009 002 987 Al提出了解決方案由于只有兩個鄰近像素之間的相對相位才與相位調(diào)制器的功能有關(guān)，而與寫入像素的絕對相位無關(guān)，所以在隨后的幀之間弓I入相位的整體偏移。這種相位偏移的結(jié)果是，對于相位調(diào)制器的大多數(shù)像素來說，電壓的符號在兩個幀之間改變。從而規(guī)避上述DC電壓效應(yīng)。例如，HAN與PSS的不同之處在于同一基板上的兩個相鄰的平面內(nèi)電極之間的平面內(nèi)勢差用于對HAN光調(diào)制器或HAN相位偏轉(zhuǎn)器尋址，而相對基板上的電極之間的平面外勢差用于對PSS型裝置尋址。PSS和HAN的相同之處在于當(dāng)用在振幅顯示器中時，如果改變所施加的平面內(nèi)電壓的符號，那么即使LC方向不同，但最終的透射率也是相同的，而且，當(dāng)其用在相位顯示器中時，改變所施加的平面內(nèi)電壓的符號導(dǎo)致不同的相位值。這就是為什么還應(yīng)該將某種相位分布寫入在HAN模式(尤其是HAN光調(diào)制器或HAN相位偏轉(zhuǎn)器)下運行的相位調(diào)制器中的原因，其中應(yīng)當(dāng)盡可能避免施加DC電壓。如果相位偏轉(zhuǎn)器用于在設(shè)計為多用戶系統(tǒng)的全息顯示器中進(jìn)行觀察者跟蹤，由于在不同的眼睛位置之間轉(zhuǎn)變，已經(jīng)在統(tǒng)計學(xué)意義上時間平均的相位偏轉(zhuǎn)器的兩個電極之間的正、負(fù)電壓將會平衡。然而，在單一觀察者系統(tǒng)的具體情況中，該觀察者停留在一個固定位置很長一段時間(例如幾秒鐘)，在這段時間可能例如需要設(shè)定恒定的光柵周期。這將再次帶來DC電壓效應(yīng)的風(fēng)險。在SLM中，例如，如果顯示靜態(tài)圖形內(nèi)容，DC電壓效應(yīng)的風(fēng)險將是固有的。在本發(fā)明的一個實施例中，為了規(guī)避對DC電壓效應(yīng)的干擾，因而在兩個隨后的幀之間引入寫入的相位值的相位偏移。必須注意的是，施加于平面內(nèi)電極的電壓的絕對值沒有必要改變其符號，但是需要改變相鄰的平面內(nèi)電極之間的壓差。這在圖9中表示并且結(jié)合


更詳細(xì)地闡述。在一個替換實施例中，提出通過常規(guī)變化隨后的幀的電極的平面內(nèi)電壓的符號規(guī)避DC電壓效應(yīng)，但是額外地還在偏振轉(zhuǎn)換元件的幫助下，通過轉(zhuǎn)換兩個幀之間的相位調(diào)制SLM或相位偏轉(zhuǎn)器的入射偏振。這在圖10中表示并且結(jié)合

更詳細(xì)地闡述。根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種用于顯示二維和/或三維圖像內(nèi)容的顯示器，其包含具有至少一個光源的照明裝置和根據(jù)權(quán)利要求I到11中任一項權(quán)利要求所述的相位調(diào)制器。在光的傳播方向上，該相位調(diào)制器置于照明裝置的下游。根據(jù)本發(fā)明的顯示器最好具體設(shè)計為可以用于顯示全息三維圖像內(nèi)容并且根據(jù)文獻(xiàn)WO 2006/0669191 Al所述的原理工作。該顯示器還可以設(shè)計為可以顯示立體圖像內(nèi)容和/或立體多視角圖像內(nèi)容。這種顯示器(3D顯示器)能夠以三維方式顯示三維圖像內(nèi)容，讓人的眼睛感知。至于根據(jù)本發(fā)明的用于顯示器的相位調(diào)制器可能的實施例，為避免重復(fù)，參考上面的描述?，F(xiàn)在，有許多體現(xiàn)和延續(xù)本發(fā)明的教導(dǎo)的可能性。為此，一方面要參考遵循權(quán)利要求I的從屬權(quán)利要求，另一方面要參考下面對本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述，包括附圖?？傮w上，教導(dǎo)的優(yōu)選實物形態(tài)和延續(xù)將結(jié)合本發(fā)明優(yōu)選實施例以及附圖進(jìn)行解釋說明。

圖I表示用圓偏振光進(jìn)行相位調(diào)制的原理以及λ /2板的光軸旋轉(zhuǎn)原理；圖2表不根據(jù)基于撓曲電效應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)的HAN單兀的原理；
圖3表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有IPS型電極的HAN單元；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器的第一實施例；圖5表不根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的基于LC的偏振光柵；圖6Α到6C是橫截面視圖，每幅橫截面視圖表示根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器的另一實施例的細(xì)節(jié)；圖7和圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器的另一實施例的細(xì)節(jié)的主視圖(上部)和側(cè)剖面視圖(下部)的示意圖；圖7’和圖8，是表不圖7和圖8的像素的細(xì)節(jié)的不意性二維視圖；以及圖9和圖10是示意圖，每幅示意圖表示根據(jù)本發(fā)明的在兩種不同的操作情況下(視圖A和視圖B)的相位調(diào)制器的另一實施例的細(xì)節(jié)的主視圖。在所有附圖中，相同或相對等的部分賦予相同的標(biāo)識。
具體實施例方式圖2表示根據(jù)基于撓曲電效應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)的HAN單元的原理。在HAN單元中，位于一個表面7附近的LC分子6與表面7平行排列，而位于另一個表面8附近的LC分子6與表面8垂直排列。如果液晶分子6具有適當(dāng)?shù)男螤睿敲催@種分子方向?qū)⒁饟锨娖?。液晶分?光軸的旋轉(zhuǎn)方向?qū)⑷Q于所施加電壓V的符號。圖2a表示HAN單元的細(xì)節(jié)的橫截面視圖(上部)和透視側(cè)視圖(下部)，其中電極設(shè)置4未激活。圖2b再次表示圖2a中的同一 HAN單元。左邊表示第一種激活的操作情況，其中液晶層5的Pftft和光軸順時針轉(zhuǎn)動。圖2b的右邊表示第二種激活的操作情況，其中液晶層5的Pftft和光軸逆時針轉(zhuǎn)動。圖2c表示現(xiàn)有技術(shù)中已知的HAN單元,其中左邊表示第一種操作情況，右邊表示第二種操作情況。在該HAN單元中，電極設(shè)置4置于第一基板2上，第一表面7制成位于緊鄰第一表面7的液晶分子6的縱軸與表面7實質(zhì)上平行排列。因此，通過電極設(shè)置4產(chǎn)生的、用于排列液晶分子6的平面內(nèi)電場立刻影響HAN單元的要排列液晶分子6的那部分，即鄰近第一基板2的第一表面7、以及由此與第一表面7實質(zhì)上平行排列的液晶分子6的部分。圖3表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有IPS型電極設(shè)置的HAN單元。負(fù)的和正的電壓在電極設(shè)置中交錯。因此，光軸的旋轉(zhuǎn)方向也交錯。由于只有旋轉(zhuǎn)角度的絕對值與振幅調(diào)制有關(guān)，因此振幅調(diào)制像素能夠以這種設(shè)置操作。相反，相位調(diào)制取決于電壓的符號。因此，圖3所示的電極設(shè)置不適于相位調(diào)制像素。圖4的上部是表示根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器I的細(xì)節(jié)的透視圖。相位調(diào)制器I包含第一基板2、第二基板3和電極設(shè)置4。液晶分子層(圖4中未示出)置于第一基板2和第二基板3之間。圖4的下部是示意性地表示具有電極設(shè)置4的第二基板3的橫截面視圖。在此省略第一基板。該附圖還顯示如果激活電極設(shè)置4將出現(xiàn)的場力線。電極設(shè)置4是條紋圖案。對電極設(shè)置4最好控制為對電極設(shè)置4的各電極施加不同的電壓。在圖4中，這些不同的電壓以Vl到V6標(biāo)出。在根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器I的相位調(diào)制像素中，必須在像素上施加恒定的電壓梯度。也就是說，V6-V5=V5-V4=. ..=V2-V1=AV0在相位偏轉(zhuǎn)器中，分別控制條紋電極。圖5表示一種根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的基于LC的偏振光柵。LC分子6排列在平面內(nèi)并且在一個光柵周期內(nèi)在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)180度。圖5 (a)是表示偏振光柵的細(xì)節(jié)的主視圖，即從、觀察者觀看具有這種設(shè)置為與顯示器表面平行的偏振光柵的顯示器的方向觀察。圖5 (b)是表示圖5 (a)中偏振光柵的細(xì)節(jié)的橫截面視圖。Λ是偏振光柵的光柵周期。圖6Α是表示本發(fā)明的另一實施例示意性的透視三維視圖，即，根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器I的細(xì)節(jié)，其提供基于HAN模式的偏振光柵。這幅簡單的附圖僅示出了分別具有表面7和表面8的第一基板2和第二基板3、以及具有液晶分子6的液晶層5。雖然圖6Α中的液晶分子6以對稱的橢圓體形式表示，但是實際上，液晶分子6具有引起撓曲電效應(yīng)的香蕉形狀或梨的形狀。總之，位于緊鄰第一基板表面7的液晶分子6與表面7實質(zhì)上平行排列，因為表面7是據(jù)此設(shè)計的。此外，位于緊鄰第二基板3表面8的液晶分子6與表面8實質(zhì)上垂直排列，因為表面8是據(jù)此設(shè)計的。圖6Α未示出電極設(shè)置。圖6Β是表示根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器I的另一實施例的細(xì)節(jié)的橫截面視圖。在這個根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器的實施例中，第一基板2的第一表面7以層的形式制成。接近具有液晶分子6的液晶層5的表面7制成使得位于緊鄰表面7的液晶分子6實質(zhì)上平行于表面7排列。具有實質(zhì)上條紋型電極的電極設(shè)置4置于基板2上并且嵌入表面7的層的材料。第二基板3具有層的形式的表面8，其制成使得位于與表面8緊鄰的液晶分子6實質(zhì)上垂直于表面8排列。圖6Β中的相位調(diào)制器I具有激活的電極設(shè)置4，控制電極設(shè)置4使得形成光柵周期為16 μ m的偏振濾波器(polarisation filter),該偏振濾波器在這里僅顯示出一半。液晶層5中不同的灰度值表示實際的電場強度。此外，還示出了實際電場強度的等勢線。圖6C是表示相位調(diào)制器I的細(xì)節(jié)的另一實施例的橫截面視圖，其提供一種基于HAN模式的偏振光柵。根據(jù)該HAN的結(jié)構(gòu)，LC分子6在平面內(nèi)排列，S卩，平行于一個表面層或表面7，但是在平面外，即，實質(zhì)上垂直于另一個表面層或表面8。液晶分子6在平面或第一基板7上的投射在一個光柵周期中在偏振光柵中旋轉(zhuǎn)180度，而液晶分子6轉(zhuǎn)出平面的角度基本保持不變。邊緣情況是靠近上基板2的純粹的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)以及液晶分子6靠近下基板3圍繞它們自身的軸的純粹的旋轉(zhuǎn)，因為它們在那里垂直于表面7排列。圖7是表示根據(jù)本發(fā)明的光調(diào)制器的像素的細(xì)節(jié)的示意圖，其中像素是顯示器的光調(diào)制器的一部分，并且它是從觀察者將要觀察光調(diào)制器或顯示器的方向看去的。為了使情況更加清楚，在下面將相同的單元或像素轉(zhuǎn)動90度(右手邊是具有電極E2的下基板2)。在上部的視圖中，底部的液晶分子6位于緊鄰更接近觀察者的基板并且指向繪圖平面外。頂部的液晶分子6位于緊鄰更遠(yuǎn)離觀察者的基板并且位于繪圖平面內(nèi)。為了實現(xiàn)在繪圖平面內(nèi)的相同的旋轉(zhuǎn)角度，電極El和E2之間需要正電壓VI，而且在電極E2和E3之間也需要正電壓VI。這就是說，對E3施加2x Vl的電壓。圖8是在側(cè)面具有構(gòu)造的對齊層Al和A2的設(shè)置，其中液晶分子6實質(zhì)上平行于表面7排列。該附圖的上部表示與上述電極El和電極E2之間相同的分子排列。然而，分子在電極E2和E3之間以相反方式排列，即，在頂部垂直，在底部水平。這就是說，如果施加相同的電壓，將發(fā)生相反的旋轉(zhuǎn)方向。如果對電極El施加OV電壓，對電極E2施加電壓VI，對電極E3施加OV電壓,那么兩個電極之間的電壓符號相交替,但是旋轉(zhuǎn)方向仍然相同?？梢岳^續(xù)向其它電極交替地提供電壓Vl和OV電壓。本實施例最好只需要兩個梳狀電極，而且不必要分別控制像素的各電極。圖V和圖8，是表示圖7和圖8中所示的光調(diào)制器的相同細(xì)節(jié)的三維視圖，其中液晶分子6以極度放大的方式繪制并且具有理想化的三維形狀。 圖9示意性地表示主視圖，每幅主視圖表示根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器的另一實施例的細(xì)節(jié)。這些附圖表示了對引入隨后的幀之間的相位偏移的使用，特別是在HAN相位偏轉(zhuǎn)器中。位于靠近液晶分子6具有平面方向的基板的液晶分子6的方向僅示意性地示出。圖9 (B)表示相位偏移后維持圖9 (A)的光柵周期，但是改變所施加的電壓，使得不會出現(xiàn)DC電壓。該附圖表示在這些電極上面，施加于兩個相鄰電極之間的是相對電壓，在這些電極下面，施加于各電極的是絕對電壓。對于大多數(shù)電極來說，相對電壓在正和負(fù)之間發(fā)生變化，對于某些電極來說，它還在零、正或負(fù)之間變化。在本例中，兩個幀之間的相位偏移是η，其與液晶分子6的90度的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度的變化相對應(yīng)。通常，為了進(jìn)一步減少最終的暫時平均電壓，例如以下序列0，π/2, π，3π/2，可以賦予兩個以上的幀不同的相位偏移。因此，寫入相位調(diào)制器的某一個幀的相位值與寫入相位調(diào)制器的隨后的幀的相位值相差一個相位偏移，使得相鄰的平面內(nèi)電極之間的電壓不同。圖10 (A)和10 (B)是示意性的主視圖，每幅主視圖表示根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器的另一實施例的細(xì)節(jié)。它們示意性地示出了位于基板附近的液晶分子6的方向，其中相位偏轉(zhuǎn)器平面方向。所有施加的電壓的符號在圖10 (A)和10 (B)之間都發(fā)生了改變。這導(dǎo)致液晶的方向分布，從該分布得到與相位調(diào)制器相互作用的光的折射率分布。該折射率分布具有偏振光柵的效果，其中光柵周期相同但是圓偏振光旋轉(zhuǎn)方向相反。對于同一入射偏振的光，該偏振光柵將與具有不同符號的相位圖相對應(yīng)，并且在不同方向上偏轉(zhuǎn)光。然而，如果在圖10 (A)和10 (B)所示的兩個操作情況之間，入射光的偏振也發(fā)生改變，例如從逆時針圓變?yōu)轫槙r針圓(由箭頭表示)，那么比起圖10 (A)中液晶分子6對于初始偏振的方向，圖10 (B)中的液晶分子6對于改變的偏振的方向?qū)е孪嗤南辔粓D。本實施例一個有利方面是暫時平均的施加電壓在兩個幀后變?yōu)榱?。所示實施例全部是相位偏轉(zhuǎn)器。然而，同樣可以應(yīng)用所說明的理念，尤其是投射型和反射型光調(diào)制器。例如，偏振切換元件可以在具有平面(非像素化)電極的LC基礎(chǔ)上以可切換開/關(guān)的λ/2板的形式實現(xiàn)。也就是說，在兩個隨后的幀中，施加于根據(jù)本發(fā)明的相位調(diào)制器的電極設(shè)置中的電極上的電壓經(jīng)受符號的變化。在多個幀的其中一個幀中，用偏振切換元件使與相位調(diào)制器相互作用的光達(dá)到第一偏振狀態(tài)。在隨后的幀中，使與相位調(diào)制器相互作用的光達(dá)到第二偏振狀態(tài)。
引文[I]2009年歐洲顯示國際會議記錄，報告4-6[2] 2009年國際信息顯示器會議摘要，報告1-3，第14_16頁最后，必須指出，以上所描述的實施例應(yīng)當(dāng)只理解為說明權(quán)利要求所聲稱的教導(dǎo)，而權(quán)利要求所聲稱的教導(dǎo)不限于這些實施 例。
權(quán)利要求
1.用于對與相位調(diào)制器(I)相互作用的圓偏振光的相位進(jìn)行調(diào)制的相位調(diào)制器(1)，其特征在于，包含第一和第二基板(2，3)、電極設(shè)置(4)以及具有液晶分子(6)的液晶層(5)，其中第一基板(2)與第二基板(3)相對而置，其中液晶層(5)置于兩個基板(2，3)之間，其中第一基板(2)具有第一表面(7),第二基板(3)具有第二表面(8),其中第一表面(7)制成以實質(zhì)上平行于第一表面(7)的方向排列緊鄰第一表面(7)的液晶分子(6)，其中第二表面(8)制成以實質(zhì)上垂直于第二表面(8)的方向排列緊鄰第二表面(8)的液晶分子(6)，其中，控制電極設(shè)置(4)，使得液晶分子方向的平面內(nèi)分量可以設(shè)定在大約180度的角度范圍內(nèi)、例如在相對于可指定中心方向的-90度到+90度之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的相位調(diào)制器，其特征在于，所述相位調(diào)制器設(shè)計成使得由于衍射，與相位調(diào)制器(I)相互作用的光在可指定的方向上被可變地偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)光柵的功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的相位調(diào)制器，其特征在于，控制電極設(shè)置(4)，使得光束取決于光束射向相位調(diào)制器(I)的位置在可變化指定的方向上偏轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的相位調(diào)制器，其特征在于，所述相位調(diào)制器(I)包含單獨的像素，其中相位調(diào)制器(I)中的每個像素至少包含電極設(shè)置(4)的兩個電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的相位調(diào)制器，其特征在于，控制所述電極設(shè)置(4)，使得在像素區(qū)域中實現(xiàn)實質(zhì)上恒定的電壓梯度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的相位調(diào)制器，其特征在于，控制所述電極設(shè)置(4)，使得在兩個相鄰電極之間施加實質(zhì)上恒定的電壓差。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項權(quán)利要求所述的相位調(diào)制器，其特征在于，在像素內(nèi)提供梳狀設(shè)置的多個電極，用于在像素中生成均勻的平面內(nèi)電壓梯度。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項權(quán)利要求所述的相位調(diào)制器，其特征在于，所述相位調(diào)制器設(shè)計為其在透射型或反射型環(huán)境中都可以操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項權(quán)利要求所述的相位調(diào)制器，其特征在于，一個基板的表面具有用第一和第二構(gòu)造區(qū)域構(gòu)造的表面涂層，所述第一和第二構(gòu)造區(qū)域設(shè)置為彼此緊鄰而且在相鄰電極之間，并且設(shè)計成使得和第一構(gòu)造區(qū)域有聯(lián)系的液晶與和第二構(gòu)造區(qū)域有聯(lián)系的液晶實質(zhì)上不平行地排列。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項權(quán)利要求所述的相位調(diào)制器，其特征在于，寫入相位調(diào)制器的用于某一個幀的相位值與寫入相位調(diào)制器的用于隨后的幀的相位值相差一個相位偏移，使得相鄰的平面內(nèi)電極之間的電壓不同。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項權(quán)利要求所述的相位調(diào)制器，其特征在于，在隨后的幀中，施加于電極的電壓包含符號的變化，其中在連續(xù)的幀的其中一個幀中，通過偏振切換元件使與相位調(diào)制器相互作用的光達(dá)到第一偏振狀態(tài)，其中在隨后的幀中，使與相位調(diào)制器相互作用的光達(dá)到第二偏振狀態(tài)。
12.用于顯示二維和/或三維圖像內(nèi)容的顯示器，其特征在于，具有包含至少一個光源的照明裝置和根據(jù)權(quán)利要求I到11中任一項權(quán)利要求所述的相位調(diào)制器，其中在光的傳播方向上，所述相位調(diào)制器置于照明裝置的下游。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對與相位調(diào)制器(1)相互作用的圓偏振光的相位進(jìn)行調(diào)制的相位調(diào)制器(1)。該相位調(diào)制器(1)包含第一和第二基板(2，3)、電極設(shè)置(4)以及具有液晶分子(6)的液晶層(5)。第一基板(2)與第二基板(3)相對而置。液晶層(5)置于兩個基板(2，3)之間。第一基板(2)具有第一表面(7)，第二基板(3)具有第二表面(8)。第一表面(7)制成以實質(zhì)上平行于第一表面(7)的方向排列緊鄰第一表面(7)的液晶分子(6)。第二表面(8)制成以實質(zhì)上垂直于第二表面(8)的方向排列緊鄰第二表面(8)的液晶分子(6)。控制電極設(shè)置(4)，使得液晶分子方向的平面內(nèi)分量可以設(shè)定在大約180度的角度范圍內(nèi)、例如在相對于可指定中心方向的-90度到+90度之間。本發(fā)明還涉及一種用于顯示二維和/或三維圖像內(nèi)容的顯示器。
文檔編號G02F1/29GK102725683SQ201080062645
公開日2012年10月10日 申請日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者伯·克羅爾, 諾伯特·萊斯特 申請人:視瑞爾技術(shù)公司