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Gebiet der Erfindung
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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.
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Stand der Technik
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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.
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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 & M-)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.
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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.
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EP 0833186 A1 beschreibt ein Projektions-Flüssigkristalldisplaysystem, das ein Displayelement zur Modulierung einer linearen polarisierenden Komponente von lesendem Licht enthält, das auf einem Displaysignal basiert, einem polarisierenden Strahlteiler zur Eingabe der linearen polarisierenden Komponente von lesendem Licht, das von einer Lichtquelle in das Displayelement emittiert wird, eine Projektionslinse zur Projektion des lesenden Lichts, das vom Displayelement an den Bildschirm reflektiert wird, wobei das Displayelement ein Pixelelektrodensubstrat, an dem eine Vielzahl von rechtwinkligen Pixelelektroden in einem Matrixmuster angeordnet ist, ein transparentes Substrat, das in einer gegenüberstehenden Beziehung mit dem Pixelelektrodensubstrat angeordnet ist und das eine transparente Elektrode enthält, ein Flüssigkristall, das in einem geschlossenen Raum zwischen dem Pixelelektrodensubstrat und dem transparenten Substrat angefüllt ist und einem Ausrichtungsfilm, der das Flüssigkristall in eine vorbestimmte Ausrichtung ausrichtet, enthält.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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 Beleuchtungspolarisation liegt.
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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.
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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.
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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.
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Fünftens kann ein PBS- oder 1-PBS-Optiksatz in der herkömmlichen Orientierung zusammen mit einer Torsionsschicht verwendet werden, um die Eingangspolarisation zu drehen.
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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.
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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.
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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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Nunmehr werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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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;
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2a eine Anordnung von Pixelelektroden zeigt, die von Kanten gebildet werden, die unter 45° und 135° orientiert sind;
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2b, c, d des Weiteren die Zeilen- und Spalten-Layouts der Pixelelektroden von 2a darstellen;
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3 ein alternatives Layout von Pixelelektroden darstellt;
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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;
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5a und 5b schematische Darstellungen der Lichtventilstruktur in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
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6 ein Projektionssystem des Standes der Technik ist, das bekannte Lichtventile verwendet, die zur Benutzung mit dem Lichtventil der vorliegenden Erfindung angepaßt werden können;
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7 eine optische Konfiguration der vorliegenden Erfindung in der bevorzugten Ausführungsform darstellt;
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8 eine optische Konfiguration der vorliegenden Erfindung darstellt, bei der lediglich die PBS-Würfel (PBS-cubes) gedreht sind;
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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;
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10 ein bevorzugtes optisches System zur Verwendung mit den Lichtventilen der vorliegenden Erfindung darstellt;
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11 ein Layout zeigt, daß die Merkmale der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kombiniert, die in den 9 und 10 gezeigt sind; und
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12 eine optische Konfiguration der vorliegenden Erfindung darstellt, die mehrere optionale Verfahren zum Drehen der Beleuchtung in eine gewünschte Orientierung verwendet.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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Die 5a und 5b sind schematische Darstellungen der Lichtventilstruktur in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 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. 5b zeigt das Innere der in 5a gezeigten Lichtventilstruktur, d. h. ohne das obere Substrat (5a bei 1). An der Unterseite der LC-Schicht 4 sind reflektierende Pixelelektroden 10 positioniert. Der Zwischenraum zwischen dem oberen und dem unteren Substrat (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 LC-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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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7 stellt eine Konfiguration eines optischen Systems der vorliegenden Erfindung in der ersten bevorzugten Ausführungsform dar. Die in 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.
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Es können optische Konfigurationen ausgedacht werden, in denen lediglich die PBS-Würfel gedreht werden, wodurch die hintere Brennweite der Projektionslinse in der in 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.
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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.
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In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird anstelle von Strahlteilern eine Schräglichtbeleuchtung (oblique illumination) verwendet, um Eingangs- und Ausgangsstrahlen zu teilen. 9 ist ein Beispiel, das auch in der in gemeinsamem Besitz befindlichen, gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 09/085 065 (IBM-Aktenzeichen YO998-054) 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 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.
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10 stellt ein weiteres bevorzugtes, eine Schräglichtbeleuchtung bereitstellendes optisches System zur Verwendung mit Lichtventilen der vorliegenden Erfindung dar. Das in 10 gezeigte optische System ist in Proceedings of the 1998 Strategie 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.
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11 zeigt ein Layout, das die Elemente der in den 9 und 10 gezeigten Ausführungsformen kombiniert, die Schräglichtbeleuchtung verwenden. Ein x-Würfel 4018 ist von der ”zweiteiligen” Art, wie in 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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. 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.
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Extremere Verzerrungen der Elektrodenform können in Fallen 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. 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 2b, c, d illustrieren des Weiteren das Zeilen-Spalten-Layout der Pixelelektroden von 2a.
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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 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.
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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. 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 nichtreflektierenden, kerbenförmigen (notch-shaped) Gebiet 4006 zwischen den Elektroden 4002, 4008, 4010 und 4012 liegt.
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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.
