[发明专利]具有外部延迟器的液晶显示器

说明书

一种系统包括空间光调制器，该空间光调制器包括第一基板、第二基板、和在第一基板与第二基板之间的液晶层。空间光调制器的特征在于第一延迟和第一相位延迟并且具有用于光传播的第一慢轴。电压源被配置为向空间光调制器施加驱动电压，并且空间光调制器的第一延迟是驱动电压的函数。延迟器定位于空间光调制器的外部，并且该延迟器的特征在于第二延迟和第二相位延迟。延迟器包括用于光传播的第二慢轴。第二延迟的值使得一组照射波长中的所有照射波长在0.25的相位延迟值以上或以下。所述一组照射波长包括在至少三个不同色谱中的每一个色谱中的至少一个照射波长。

技术领域

本公开涉及具有可独立操作像素的空间光调制器(SLM)(例如，显示器、液晶显示器(LCD)、液晶微显示器和液晶空间光调制器(SLM))，更具体地，本发明涉及空间光调制器，例如，在包括但不限于投影仪、平视显示器和增强现实(AR)、混合现实和虚拟现实(VR)系统或设备(例如耳机)的应用中使用的硅上液晶(LCoS)空间光调制器或显示器。

背景技术

用于成像应用的液晶SLM包括使用铁电液晶的类型和使用向列液晶的类型。向列类型的液晶可以具有正介电各向异性或负介电各向异性。负各向异性类型通常具有较高的对比度，并且对于投影应用和近眼应用(例如AR和VR头戴式耳机)是优选的。使用具有负介电各向异性的液晶的SLM使用电光模式，该电光模式包括垂直排列向列(VAN)显示模式和扭曲垂直排列向列(TVAN)显示模式。TVAN在美国专利No.8,724,059和9,551,901中进行了描述，所述专利通过引用并入本文。

用于从反射式液晶SLM观看图像的常规光学设计使用结合线栅式和麦克尼尔立方式偏振分束器(PBS)的线性偏振光来获得高对比度的图像。使用这些类型的PBS的缺点是所述PBS占用相对较大的体积，这使得难以获得在AR和VR头戴式耳机中使用的流线型紧凑的产品设计。此外，已知使用PBS会降低图像亮度、增加动态切换时间并增强相邻像素之间边缘场效应的可见性，尤其是在具有短像素间距的高分辨率SLM设备中。

发明内容

为了克服使用PBS的设计的这些缺点，Kuan-Hsu Fan-Chiang，Shu-Hsia Chen和Shin-Tson Wu在Applied Physics Letters，第87卷，第031110-1至031110-3页(2005)中描述了一种不使用PBS的光学设计。他们的VAN模式LCoS SLM被宽带圆偏振(CP)(例如，代替线性偏振)照射，以克服长期存在的清晰度差、亮度低和响应时间慢的问题。Chiang等人的公开中未提供电光(EO)曲线，也没有给出(一个或多个)照射波长。另外，作者仅考虑圆偏振器的一种取向。

本领域技术人员将认识到，可以通过线性偏振器产生宽带圆偏振光，该线性偏振器的偏振轴平行或垂直于宽带圆偏振器的输入轴对齐。宽带圆偏振光也可以通过线性偏振器产生，该线性偏振器的偏振轴设置为相对于宽带四分之一波片(QWP)的慢轴的±45*处，该四分之一波片包括具有多个双折射层的延迟器。

相位延迟(Φ)是由延迟(Γ)除以照射波长λ定义的无量纲量(即Φ＝Γ/λ)。延迟Γ是入射光穿过双折射材料后该入射光的快光线和慢光线的波前之间的距离。

可从许多供应商商购的实用宽带QWP并不是理想的宽带QWP。例如，日本东京的Teijin公司提供了FM-143单层宽带QWP。FM-143宽带QWP的相位延迟的波长相关性在图2的曲线图中给出。该曲线图示出对于小于555nm的波长，相位延迟Φ大于0.25，而对于大于555nm的波长，相位延迟Φ小于0.25。将会显示出，相位延迟Φ从0.25的偏离对电光(EO)曲线的形状和对比度具有显著的影响。

图3和图4示出了基于Kuan-Hsu Fan-Chiang的公开中描述的方案在本公开中进行的计算机模拟。这些电光(EO)曲线是分别针对628nm的红光波长、513nm的绿光波长和453nm的蓝光波长基于线性标度和对数吞吐量标度。吞吐量是假设线性偏振输入光的反射率，且理想的偏振器具有1和0的透射率，而理想的反射器具有1的反射率。