DE60202841T2

DE60202841T2 - Displayvorrichtung mit rasterpolarisationsstrahlenteiler und kompensator

Info

Publication number: DE60202841T2
Application number: DE60202841T
Authority: DE
Inventors: Xiang-Dong Rochester Mi; Andrew F. Rochester Kurtz; David Rochester Kessler
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-01-07
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: US6954245B2; US7184115B2; US20030128320A1; JP4315272B2; DE60202841D1; US6900866B2; JP2003262831A; US6909473B2; EP1326123B1; US7023512B2; US20040218125A1; US20050128392A1; US6897926B2; US20050151905A1; US6982773B2; EP1326123A1; US20040114079A1; US20040218124A1; US20060033976A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein mit Flüssigkristalleinrichtungen ausgestattete digitale Projektionsvorrichtungen zur Bilderzeugung und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzielung hoher Kontrastwerte durch Verwendung eines Raster- oder Drahtgitterpolarisationsstrahlenteilers mit einem Kompensator zur Minimierung von Streulicht im ausgeschalteten Zustand der Pixel.
Um als Ersatz für konventionelle Filmprojektoren dienen zu können, müssen digitale Projektionssysteme hohe Anforderungen an die Bildqualität erfüllen. Dies gilt insbesondere für Filmprojektionssysteme. Um als konkurrenzfähige Alternative zu herkömmlichen Filmprojektoren zu dienen, müssen digitale Projektionsvorrichtungen eine hohe Auflösung, einen großen Farbfächer, eine hohe Helligkeit (> 10.000 Lumen an der Leinwand) und bildfeldsequenzielle Kontrastverhältnisse von über 1.000:1 bieten können.
Die vielversprechendsten Lösungen für die digitale Filmprojektion nutzen zwei Arten von Raumlichtmodulatoren als Bilderzeugungsvorrichtungen. Bei dem Raumlichtmodulator des ersten Typs handelt es sich um die digitale Mikrospiegelvorrichtung (Digital Micromirror Device/DMD), entwickelt von Texas Instruments, Inc., Dallas, TX, USA. DMD-Vorrichtungen werden in zahlreichen Patenten beschrieben, beispielsweise von Hornbeck in US-A-4,441,791; 5,535,047; 5,600,383 sowie von Heimbuch in US-A-5,719,695. Optische Konstruktionen für Projektionsvorrichtungen, in denen DMDs zum Einsatz kommen, werden von Tejada et al. in US-A-5,914,818, von Dewald in US-A-5,930,050, von Anderson in US-A-6,008,951 und von Iwai in US-A-6,089,717 beschrieben. Obwohl DMD-basierende Projektoren eine gewisse Fähigkeit zur Erzielung des nötigen Lichtdurchsatzes, Kontrastverhältnisses und Farbfächers aufweisen, ist der Einsatz von DMDs aufgrund der noch eingeschränkten Auflösung (1024 × 768 Pixel) und der hohen Kosten für Komponenten und System auf die qualitativ hochwertige digitale Kinoprojektion beschränkt.
Der zweite Typ Raumlichtmodulator, der für die digitale Projektion zum Einsatz kommt, ist die Flüssigkristallvorrichtung (Liquid Crystal Device/LCD). Die LCD erzeugt ein Bild als eine Anordnung von Pixeln durch selektive Modulation des Polarisationszustands des einfallenden Lichts für jedes entsprechende Pixel. Bei hoher Auflösung lassen sich großflächige LCDs einfacher als DMDs herstellen. LCDs sind eine ernstzunehmende, alternative Modulatortechnik in digitalen Filmprojektionssystemen. Beispiele für elektronische Projektionsvorrichtungen, die LCD-Raumlichtmodulatoren verwenden, werden u.a. von Shimomura et al. beschrieben in US-A-5,808,795, von Hattori et al. in 5,798,819, von Ueda in 5,918,961, von Maki et al. in 6,010,121 und von Oikawa et al. in 6,062,694. Unlängst stellte JVC einen LCD-gestützten Projektor vor, der eine hohe Auflösung erzielt (2.000 x 1280 Pixel), einen hohen bildsequenziellen Kontrast (über 1000:1) und einen hohen Lichtdurchsatz bis 12.000 Lumen. Das System nutzt drei vertikal ausgerichtete (VA) (auch als homeotroph bezeichnete) LCDs (eine je Farbe), die durch Bildröhren (CRTs) angesteuert oder adressiert werden. Dieses System zeigt zwar das Potenzial eines LCD-gestützten digitalen Filmprojektors, ohne aber die Problematik der Systemkomplexität und der Zuverlässigkeit insgesamt lösen zu können. Außerdem stehen einer breiten Vermarktung dieses Systems im digitalen Filmprojektionsmarkt die Kostenüberlegungen entgegen.
JVC hat zudem eine neue Familie vertikal ausgerichteter LCDs entwickelt, die direkt über eine Siliciumplatine (LCOS) anstatt indirekt über eine Bildröhre adressiert werden. Diese neuen Vorrichtungen sind zwar vielversprechend, aber sie konnten bislang noch nicht die an digitale Kinopräsentationen gestellten Erwartungen voll erfüllen. Die JVC LCD-Vorrichtungen werden teilweise von Kuragane in US-A-5,652,667, von Kobayashi et al. in 5,767,827 und von Shintani et al. in US-A-5,978,056 beschrieben. Im Unterschied zu früheren TN-(Twisted Nematic) LCDs oder cholesterischen LCDs versprechen vertikal ausgerichtete LCDs sehr viel höhere Modulationskontrastverhältnisse (über 2.000:1). Smith et al. beschreiben in dem an JVC erteilten Patent US-A-5,620,755 ein Verfahren zur Induzierung einer vertikalen Ausrichtung in LCD-Displays. Es sei darauf hingewiesen, dass zur Erzielung eines bildsequenziellen Kontrasts von 1.000:1 oder besser das gesamte System einen Kontrast von > 1000:1 erzeugen muss, und dass sowohl die LCDs als auch die notwendige Polarisationsoptik jeweils selbst einen Kontrast von ca. 2.000:1 erzeugen müssen. Während polarisationskompensierte, vertikal ausgerichtete LCDs einen Kontrast von > 20.000:1 bei der Modulation kollimierter Laserstrahlen erzielen können, weisen dieselben Modulatoren Kontrastwerte von 500:1 oder weniger auf, wenn sie kollimierte Laserstrahlen ohne die geeignete Polarisationskompensation modulieren. Der Modulationskontrast hängt zudem von der Spektralbandbreite und der Winkelbreite (F#) des einfallenden Lichts ab, wobei der Kontrast im Allgemeinen bei steigender Bandbreite oder bei Abnahme der Winkelbreite F# sinkt. Der Modulationskontrast innerhalb der LCDs kann sich zudem durch restliche Depolarisierung oder durch Ausrichtungsfehler der Polarisierung reduzieren, beispielsweise durch thermisch induzierte Spannung und Doppelbrechung. Derartige Effekte lassen sich im Fernfeld der Vorrichtung beobachten, während das typische „Eisenkreuz"-Polarisationskontrastmuster ein degeneriertes Muster annimmt.
Wie Fachleuten aus dem Bereich der digitalen Projektionstechnik bekannt ist, ist die optische Leistung von LCD-gestützten, elektronischen Projektionssystemen teilweise durch die Eigenschaften der LCDs selbst sowie durch die Polarisationsoptik gekennzeichnet, die die LCD-Projektion unterstützen. Die Leistung von optischen Polarisationstrennungseinrichtungen, beispielweise von Strahlenteilern, Vorpolarisationseinrichtungen und Polarisation-/Analysatorkomponenten, ist zur Erzielung hoher Kontrastverhältnisse von besonderer Bedeutung. Die Art und Weise, in der diese optischen Polarisationskomponenten innerhalb eines optischen Modulationssystems einer Projektionsanzeige miteinander kombiniert werden, hat zudem wesentlichen Einfluss auf den resultierenden Kontrast.
Die gängigste Lösung für konventionelle Polarisationsstrahlenteiler, die in zahlreichen Projektionssystemen zum Einsatz kommt, ist das traditionelle MacNeille-Prisma, wie in US-A-2,403,731 beschrieben. Diese Vorrichtung weist ein gutes Extinktionsverhältnis auf (in der Größenordnung von 300:1). Das Standardprisma arbeitet jedoch nur über einen begrenzten Winkelbereich (von wenigen Grad) einwandfrei. Weil das MacNeille-Prisma nur ein gutes Extinktionsverhältnis für einen Polarisationszustand liefert, muss eine Konstruktion, die diese Vorrichtung nutzt, praktisch die Hälfte des einfallenden Lichts verlieren, wenn dieses Licht aus einer unpolarisierten Weißlichtquelle stammt, wie beispielsweise aus einer Xenon- oder Metallhalogenidbogenlampe.
Konventionelle Glaspolarisationsstrahlenteiler, die auf der MacNeille-Konstruktion basieren, weisen Einschränkungen auf, die über das begrenzte Winkelansprechverhalten hinaus gehen und die die Verwendung dieser Teiler für die digitale Filmprojektion verhindern könnten.
Insbesondere die bei der Fertigung eingesetzten Verbindungstechniken oder thermische Spannungen während des Betriebs können eine Spannungs-Doppelbrechung bewirken, die wiederum die Leistung des Strahlenteilers in Bezug auf den Polarisationskontrast verschlechtert. Diese Effekte, die für die elektronische Projektion auf mittlere Entfernungen oft inakzeptabel sind, sind für die Anwendung in der Filmprojektion nicht tolerierbar. Das Problem mit thermischen Spannungen konnte durch Verwendung eines besser geeigneten optischen Glases mit entsprechend niedriger Fotoelastizität gemindert werden, wie von Ueda et al. in US-A-5,969,861 beschrieben, das speziell zur Verwendung in Polarisationskomponenten entworfen wurde. Leider setzen hohe Fertigungskosten und eine ungewisse Verfügbarkeit der Verwendung dieser Lösung Grenzen. Es wäre zwar möglich, Glasprismen mit niedriger Spannung jeweils für ein bestimmtes Wellenlängenband individuell herzustellen, um die Spannungsdoppelbrechung zu minimieren, während die Winkelleistung etwas erhöht wird, aber eine derartige Lösung ist kostspielig und fehleranfällig. Aufgrund dieser Probleme erfüllt die konventionelle, auf MacNeille-basierende Glasstrahlenteilerkonstruktion die anspruchsvollen Kriterien für eine umfassende, kommerzielle, digitale Filmprojektion nicht, obwohl sie die erforderliche Leistung für elektronische Projektionssysteme für kleine bis mittlere Entfernungen erbringt, die mit 500–5.000 Lumen und einem Kontrast von ca. 800:1 arbeiten.
Es wurden weitere Technologien für Polarisationsstrahlenteiler vorgeschlagen, um die Anforderungen an ein LCD-gestütztes, digitales Filmprojektionssystem zu erfüllen. Der von Li et al. in US-A-5,912,762 beschriebene Strahlenteiler, der eine Mehrzahl von Dünnfilmschichten umfasst, die zwischen zwei Schwalbenprismen angeordnet sind, versucht, hohe Extinktionsverhältnisse für beide Polarisationszustände zu erzielen. Theoretisch ist diese Strahlenteilereinrichtung in der Lage, Extinktionsverhältnisse von über 2.000:1 zu erzielen. Bei Konstruktion in einem Projektionssystem mit sechs LCDs (zwei je Farbe) könnte dieses Prisma den Lichtwirkungsgrad des Systems verstärken, indem es die Verwendung beider Polarisationen ermöglicht. Größenbeschränkungen und extrem enge Beschichtungstoleranzen stellen jedoch erhebliche Hindernisse für eine kommerzielle Nutzung einer Projektionsvorrichtung unter Verwendung dieser Strahlenteilerkonstruktion dar.
Als weitere konventionelle Lösung setzen einige Projektorkonstruktionen Strahlenteiler mit Liquid-Immersion-Polarisation ein. Flüssigkeitsgefüllte Strahlenteiler (siehe beispielsweise US-A-5,844,722 (Stephens)) weisen hohe Extinktionsverhältnisse auf, wie sie für Hochkon trastanwendungen erforderlich sind, und haben einige Vorteile unter Bedingungen mit starker Lichteinstrahlung. Diese Vorrichtungen sind jedoch teuer in der Herstellung, müssen unter Ausschluss von Staub oder Blasenbildung hergestellt werden und weisen bei Dauergebrauch eine Reihe inhärenter Nachteile auf. Zu den Nachteilen von Liquid-Immersion-Polarisationsstrahlenteilern zählen temperaturbedingte Abweichungen im Brechungsindex der Flüssigkeit, u.a. einer ungleichmäßigen Indexverteilung durch Konvektionseffekte. Ein weiterer potenzieller Nachteil dieser Vorrichtungen sind mögliche Undichtigkeiten.
Drahtgitterpolarisationseinrichtungen sind seit vielen Jahren in Gebrauch und werden vorwiegend in Hochfrequenz- und optischen Ferninfrarotanwendungen eingesetzt. Die Verwendung von Drahtgitterpolarisationseinrichtungen mit Licht aus dem sichtbaren Spektrum ist dagegen aufgrund von Leistungs- oder Fertigungseinschränkungen nur bedingt möglich. So beschreiben beispielsweise Hegg et al. in US-A-5,383,053 die Verwendung einer Drahtgitterpolarisationseinrichtung in einer virtuellen Bildanzeigevorrichtung. In US-A-5,383,053 erzeugt eine kostengünstige Drahtgitterpolarisationseinrichtung einen hohen Lichtdurchsatz im Vergleich mit konventionellen Prismenstrahlenteilern. Der von der in US-A-5,383,053 beschriebenen Drahtgitterpolarisationseinrichtung erzeugte Polarisationskontrast ist sehr niedrig (6,3:1) und für die digitale Projektion ungeeignet. Tamada beschreibt in US-A-5,748,368 eine zweite Drahtgitterpolarisationseinrichtung für das sichtbare Spektrum. Obwohl die in dem genannten Patent beschriebene Einrichtung eine Polarisationstrennung vorsieht, ist das Kontrastverhältnis dieser Vorrichtung für die Filmprojektion ungeeignet und die Konstruktion ist inhärent auf eher schmale Wellenlängenbänder beschränkt.
Wie von Perkins et al. jüngst in US-A-6,122,103, von Hansen et al. in US-A-6,243,199 und von Perkins et al. in US-A-6,288,840 beschrieben, wurden hochwertige Drahtgitterpolarisationseinrichtungen für den Breitbandeinsatz im sichtbaren Spektrum entwickelt. Diese neuen Einrichtungen sind kommerziell von Moxtek Inc. aus Orem, UT, USA, erhältlich. Obwohl vorhandene Drahtgitterpolarisationseinrichtungen, einschließlich der in US-A-6,122,103 und 6,243,199 beschriebenen Einrichtungen, nicht die Leistungseigenschaften aufweisen, um das für die digitale Kinoprojektion erforderliche hohe Kontrastverhältnis zu erzielen, haben diese Einrichtungen doch eine Reihe von Vorteilen. Im Vergleich mit Standardpolarisationseinrichtungen weisen Drahtgitterpolarisationseinrichtungen relativ hohe Extinktionsverhältnisse und einen hohen Wirkungsgrad auf. Das Kontrastverhältnis dieser Drahtgitterpolarisationsein richtungen zeichnet sich zudem durch eine breitere Winkelakzeptanz (numerische Apertur, NA) und ein stabileres thermisches Leistungsverhalten mit geringerer Anfälligkeit gegen thermisch induzierte Spannungsdoppelbrechung gegenüber standardmäßigen Polarisationseinrichtungen auf. Die Drahtgitterpolarisationseinrichtungen sind zudem gegenüber ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie in Bezug auf Lichtstärke, Temperatur und Schwingungen, relativ unempfindlich. Diese Einrichtungen verhalten sich auch unter verschiedenen Farbkanälen problemlos, mit der Ausnahme, dass das Ansprechverhalten im blauen Lichtkanal einer zusätzlichen Kompensation bedarf. Von Interesse ist auch das in WO 00/70386 beschriebene LCD-Reflexions-Projektionssystem, bei dem ein Weitwinkel-Polarisationsstrahlenteiler zum Einsatz kommt.
Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler (PBS/Polarization Beamsplitter) kommen in einigen digitalen Projektionsvorrichtungen zum Einsatz. So beschreiben beispielsweise Hansen et al. in US-A-6,243,199 die Verwendung eines Breitband-Drahtgitterpolarisationsstrahlenteilers für Projektionsanzeigeanwendungen. Hansen et al. beschreiben in US-A-6,234,634 einen Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler, der sowohl als Polarisationseinrichtung als auch als Analysator in einem digitalen Projektionssystem dient. US-A-6,234,634 beschreibt, dass sehr niedrige, effektive F#-Werte mithilfe von Drahtgitterpolarisationsstrahlenteilern erzielbar sind, allerdings mit einem gewissen Kontrastverlust. US-A-6,234,634 setzt sich allerdings nicht mit der Frage auseinander, wie die Polarisationskompensation in Verbindung mit Drahtgitterpolarisationseinrichtungen verwendet werden kann, um Lichtverluste zu reduzieren und den Kontrast für empfindliche optische Systeme zu erhöhen, die bei niedrigen F#-Werten arbeiten.
Im Allgemeinen konnten Drahtgitterpolarisationseinrichtungen bislang nicht zufriedenstellend nachweisen, dass sie die hohen Anforderungen erfüllen, die eine digitale Filmprojektionsvorrichtung stellt, obwohl durchaus Fortschritte erzielt worden sind. Mängel in Bezug auf die Planlage der Substrate, der Polarisationsleistung insgesamt und der Stabilität unter Raumbedingungen und ungünstigen Umgebungsbedingungen schränken die Kommerzialisierung von Drahtgitterpolarisationseinrichtungen für die Kinoprojektion bislang ein.
Von besonderem Interesse und besonderer Relevanz für die erfindungsgemäße Einrichtung und die erfindungsgemäßen Verfahren ist die Tatsache, dass weder die Drahtgitterpolarisa tionseinrichtung noch der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler das angestrebte Extinktionsverhältnis (nominell > 2.000:1) erreicht, das für den gewünschten bildfeldsequenziellen Kontrast des Projektionssystems von 1.000:1 oder höher benötigt wird, insbesondere bei kleinen F#-Werten (< F/3,5). Auch unter optimalen Bedingungen erzielen beide Komponenten nur einen Kontrast von weniger als ca. 1.200:1. Dabei fällt die Leistung im blauen Spektrum noch weiter ab. Um den gewünschten Sollkontrast von 2.000:1 für den optischen Bereich des Systems zu erzielen (ohne die LCDs), ist es notwendig, unterschiedliche Arten von Polarisationseinrichtungen einzusetzen, u.a. möglicherweise Drahtgitterpolarisationseinrichtungen, und zwar in Kombination mit einem optischen Modulationssystem der Projektionsanzeige. Die Problematik der Konstruktion einer optimierten Konfiguration von Polarisationsoptiken, einschließlich der Drahtgitterpolarisationseinrichtungen, in Kombination mit den LCDs, Farboptik und Projektionslinsen, konnte bislang weder für die elektronische Projektion im Allgemeinen, noch für die digitale Filmprojektion im Besonderen gelöst werden. In der Technik findet sich zudem keine Beschreibung der Konstruktion eines optischen Modulationssystems für eine Projektionsanzeige unter Verwendung von LCDs und Drahtgitterpolarisationseinrichtungen, die zur Steigerung des Kontrasts mit Polarisationskompensatoren ausgerüstet sind.
Für Polarisationskompensatoren gibt es zahlreiche Beispiele, die entwickelt worden sind, um die Polarisationsleistung von LCDs im Allgemeinen und von vertikal ausgerichteten LCDs im Besonderen zu verbessern. In einem optimierten System werden die Kompensatoren gleichzeitig entworfen, um die Leistung der LCDs und der Polarisationsoptik in Kombination zu verbessern. Diese Kompensatoren erzeugen üblicherweise eine winkelveränderliche Doppelbrechung, die räumlich variabel strukturiert ist, um die Polarisationszustände in Teilen (innerhalb bestimmter räumlicher Bereiche und Winkelbereiche) des durchtretenden Lichtstrahls zu beeinflussen, ohne die Polarisationszustände in anderen Teilen des Lichtstrahls zu beeinflussen. Die Polarisationskompensatoren wurden generell für die Zusammenarbeit mit LCDs, aber auch insbesondere für vertikal ausgerichtete LCDs entwickelt. Clerc et al. beschreiben in US-A-4,701,028 die Doppelbrechungskompensation für eine vertikal ausgerichtete LCD mit beschränkter Dicke. Uchida et al. beschreiben in US-A-5,039,185 eine vertikal ausgerichtete LCD mit Kompensator, die mindestens zwei uniaxiale oder zwei biaxiale Retarder umfasst, die zwischen zwei Folienpolarisatoren/-analysatoren angeordnet sind. Hirose et al. beschreiben in US-A-5,298,199 die Verwendung eines biaxialen Filmkompensators zur Korrektur optischer Doppelbrechungsfehler in der LCD, und zwar als Paketlösung in Verbindung mit gekreuzten Folienpolarisatoren, wobei der LCD-Dunkelzustand eine Spannung (Vorspannung) von null Volt hat. Aminaka et al. beschreiben in US-A-6,081,312 einen diskotischen (scheibenförmigen) Filmkompensator, der darauf ausgelegt ist, für einen Spannungszustand ON der VA LCD den Kontrast zu optimieren. Anhand eines Vergleichs beschreiben Ohmuro et al. in US-A-6,141,075 eine VA LCD, die von zwei Retardierungsfolien kompensiert wird, und zwar eine mit positiver Doppelbrechung und die andere mit negativer Doppelbrechung.
Schmidt et al. beschreiben in US-A-5,576,854 einen Kompensator, der zur Verwendung in einer Projektionsvorrichtung ausgelegt ist, und zwar in Verbindung mit einem konventionellen Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler nach dem MacNeille-Prinzip. Dieser Kompensator umfasst eine Viertelwellenplatte zur Kompensation des Prismas und einer zusätzlichen Kompensation von 0,02 λ für inhärente, LCD-resistente Doppelbrechungseffekte. Koch et al. beschreiben in US-A-5,619,352 Kompensationsvorrichtungen, die mit Twisted-Nematic-LCD verwendbar sind, wobei die Kompensatoren eine mehrschichtige Konstruktion aufweisen, und zwar in Kombination, und je nach Bedarf, mit A-Scheiben, C-Scheiben und O-Scheiben.
Im allgemeinen setzen die meisten dieser Patente über Kompensatoren nach dem Stand der Technik voraus, dass LCDs in Verbindung mit Folienpolarisatoren verwendet werden und die LCD-Polarisationsfehler korrigieren. Allerdings wurden auch explizit Polarisationskompensatoren entwickelt, die ungleichmäßige Polarisationseffekte des konventionellen Polaroid-Farbstofffolien-Polarisators korrigieren. Der von E. H. Land 1929 entwickelte Farbstofffolienpolarisator arbeitet auf Basis von Dichroismus oder der polarisationsselektiven anistropen Lichtabsorption. Kompensatoren für Farbstofffolienpolarisatoren werden in Chen et al. (J. Chen, K.–H. Kim, J.–J. Kyu, J. H. Souk, J. R. Kelly, P. J. Bos, "Optimum Film Compensation Modes for TN and VA LCDs", SID 98 Digest, Seite 315–318.) beschrieben und verwenden Kombinationen von A-Platten und C-Platten. Der maximale Kontrast des LCD-Systems, wie in den Patenten nach dem Stand der Technik beschrieben, z.B. in US-A-6,141,075 (Ohmuro et al.), beträgt nur 500:1, wobei dies für viele Anwendungen ausreichend ist, aber die Anforderungen an eine digitale Filmprojektion nicht erfüllt.
Während diese Beschreibung des Standes der Technik ausführlich die Konstruktion von Polarisationskompensatoren unter verschiedenen Bedingungen beschreibt, werden Kompensatoren, die zur Verwendung mit Rasterpolarisationseinrichtungen entwickelt und optimiert wur den, nicht beschrieben. Die Konstruktion der Polarisationskompensatoren zur Verbesserung der Leistung eines optischen Modulationssystems mithilfe mehrerer Drahtgitterpolarisationseinrichtungen oder mithilfe mehrerer Drahtgittereinrichtungen in Kombination mit vertikal ausgerichteten LCDs ist bislang in der Technik nicht beschrieben worden. Ohne Kompensation liefert der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler einen akzeptablen Kontrast, wenn das einfallende Licht eine kleine numerische Apertur aufweist. Um hohe Helligkeitswerte zu erzielen, ist eine hohe numerische Apertur (> ca. 0,13) für ein optisches System vorteilhaft, damit es das im spitzeren Winkel einfallende Licht sammeln kann. Die rivalisierenden Ziele aus großer Helligkeit und hohem Kontrastverhältnis stellen für Polarisationskomponenten ein erhebliches konstruktives Problem dar. Der Lichtverlust im ausgeschalteten Zustand muss minimal sein, um hohe Kontrastwerte zu erzielen. Der Lichtverlust ist jedoch bei spitzen Winkeln am deutlichsten, die wiederum zur Erzielung einer hohen Helligkeit benötigt werden.
Die Kompensatoranforderungen an Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler unterscheiden sich deutlich von der eher konventionellen Verwendung von Kompensatoren, wobei Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler auf Basis der MacNeille-Prismenkonstruktion in US-A-5,576,854 erwähnt wurden. Die Leistungsergebnisse machen deutlich, dass die konventionelle Verwendung eines Viertelwellenkompensators keine Lösung ist und dem Kontrastverhältnis sogar abträglich sein kann. Während Kompensatoren zuvor speziell für die Zusammenarbeit mit VA LCDs in Projektionsanzeigesystemen entwickelt worden sind, sind bislang keine Kompensatoren zur Verwendung mit VA LCDs im Zusammenhang mit einem optischen Modulationssystem entwickelt oder beschrieben worden, die Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler verwenden.
Es besteht daher Bedarf nach einer verbesserten Projektionsvorrichtung, in der Drahtgitterpolarisationseinrichtungen, vertikal ausgerichtete LCDs und Polarisationskompensatoren in Kombination verwendet werden, um eine Ausgabe mit hohem Kontrast zu erzeugen.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Displayvorrichtung eine Lichtquelle zur Ausbildung eines Lichtstrahls. Eine Vorpolarisierungseinrichtung polarisiert den Lichtstrahl zur Bereitstellung eines polarisierten Lichtstrahls. Ein Raster- oder Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler empfängt den polarisierten Lichtstrahl. Der polarisierte Lichtstrahl überträgt eine erste Polarisation zum Reflektieren des polarisierten Lichtstrahls mit einer zweiten Polarisation. Eine reflektierende Flüssigkristallvorrichtung moduliert den polarisierten Lichtstrahl, der eine erste Polarisation aufweist, wahlweise, um Bilddaten darauf zu kodieren und einen modulierten Strahl zu bilden und um den modulierten Strahl zum Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler zurückzuwerfen. Zwischen dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler und der reflektierenden Flüssigkristallvorrichtung ist ein Kompensator angeordnet. Die Flüssigkristallvorrichtung konditioniert spitze und schräge Strahlen des modulierten und vom Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler zurückgeworfenen Strahls. Der Draht in dem Polarisationsstrahlenteiler reflektiert den kompensierten, modulierten Strahl. Die bildformende Optik bildet aus dem modulierten Strahl ein Bild.
Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Ansicht zur Darstellung optischer Komponenten in einer Projektionsvorrichtung.
2 eine perspektivische Ansicht einer Drahtgitterpolarisationseinrichtung nach dem Stand der Technik.
3 eine Schnittansicht zur Darstellung eines optischen Modulationssystems, das einen Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler beinhaltet.
4 eine Kurve zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Kontrastverhältnis zu F/# für ein optisches Modulationssystem, das sowohl einen Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler als auch ein LCD umfasst, und zwar mit und ohne Polarisationskompensation.
5a die Geometrie des einfallenden Lichts relativ zum Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler und einer LCD innerhalb eines optischen Modulationssystems, wobei beide Polarisationszustände und die lokale Strahlgeometrie gezeigt werden.
5b die Geometrie in der Lotrechten zum einfallenden Licht relativ zu den Polarisationszuständen der gekreuzten Polarisatoren.
5c die Geometrie eines ungefalteten optischen Modulationssystems mit einem durchlässigen Raumlichtmodulator, Drahtgitterpolarisatoren und einem Polarisationskompensator.
6a und 6b das Winkelansprechverhalten für gekreuzte Drahtgitterpolarisatoren ohne Polarisationskompensation.
7a–e die möglichen axialen Ausrichtungen und die Konstruktion eines Polarisationskompensators.
8a–i die Kurven für das Fernfeld-Winkelansprechverhalten aus verschiedenen Anordnungen der Drahtgitterpolarisationseinrichtungen und Kompensatoren.
9a die Kontrastkonturenkurve für eine ideale VA LCD ohne Kompensator.
9b die Kontrastkonturenkurve für eine VA LCD mit 10 nm induzierter Retardierung eines ITO-Substrats.
9c die Kontrastkonturenkurve für eine VA LCD mit 10 nm induzierter Retardierung eines ITO-Substrats und ohne Kompensator.
10 eine schematische Darstellung der Grundkomponenten eines optischen Modulationssystems gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Beschreibung betrifft insbesondere Elemente, die einen Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden oder direkt damit zusammen wirken. Es sei darauf hingewiesen, dass nicht ausdrücklich gezeigte oder beschriebene Elemente verschiedene Formen annehmen können, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind.
1 zeigt in schematischer Form die Anordnung optischer Komponenten in einer digitalen Projektionseinrichtung 10, wie in US-A-6,585,378 beschrieben. Die Beleuchtungsoptik 20 und die Vorpolarisierungseinrichtung 45 bereiten Licht aus einer Lichtquelle 15 auf, um eine Beleuchtung bereitzustellen, die im Wesentlichen vereinheitlicht und polarisiert ist. Die Beleuchtungsoptik 20 umfasst eine Vereinheitlichungsoptik, etwa eine Integrationsleiste oder eine Fliegenaugen-Integratoreinrichtung, sowie eine Kondensatorrelaisoptik. Dieses Licht wird anschließend von der Vorpolarisierungseinrichtung 45 polarisiert, wobei Licht der gewünschten Polarisation auf den Polarisationsstrahlenteiler gerichtet wird, während das abgewiesene Licht des anderen Polarisationszustands zurück zur Lichtquelle geworfen wird. Die Vorpolarisierungseinrichtung 45 ist Bestandteil des optischen Modulationssystems 40, das auch einen Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 50, einen rotierenden räumlichen Lichtmodulator oder Polarisationsraumlichtmodulator 55 und einen Polarisationsanalysator oder Polarisationsanalysator 60 umfasst. Der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 50 lässt das einfallende Licht des bevorzugten Polarisationszustands durch, während das restliche einfallende Licht des anderen Polarisationszustands aus dem System reflektiert wird. Das einfallende Licht wird von dem Raumlichtmodulator 55, bei dem es sich üblicherweise um eine Flüssigkristallvorrichtung (LCD) handelt, derart moduliert, dass ein zweidimensionales Bild auf das Licht aufkodiert wird, das dann als modulierter Lichtstrahl reflektiert wird. Der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 50 reflektiert Licht aus dem modulierten Lichtstrahl des einen Polarisationszustands und lässt Licht des anderen Polarisationszustands durch. Die Projektionsoptik 70 richtet den reflektierten, modulierten Lichtstrahl auf eine Anzeigefläche 75, bei der es sich normalerweise um einen Projektionsschirm handelt.
Die Konstruktion der digitalen Projektionsvorrichtung 10 und des optischen Modulationssystems 40 lässt sich besser aus einer gründlichen Erörterung der Eigenschaften der in diesen Systemen verwendeten Drahtgitterpolarisatoren verstehen. 2 zeigt eine einfache Drahtgitterpolarisationseinrichtung nach dem Stand der Technik, die dazu dient, Begriffe zu definieren, die in den Beispielen nach dem Stand der Technik sowie in den Ausführungsbeispielen der Erfindung benutzt werden. Die Drahtgitterpolarisationseinrichtung 100 umfasst eine Mehrzahl paralleler, leitender Elektroden 110, auf denen ein dielektrisches Substrat 120 angeordnet ist. Die Vorrichtung ist durch den mit „p" bezeichneten Gitterabstand oder die Teilung oder Periode der Leiter, die Breite „w" der einzelnen Leiter sowie die Dicke „t" der einzelnen Leiter gekennzeichnet. Eine Drahtgitterpolarisationseinrichtung verwendet Subwellenlängenstrukturen, so dass die Teilung (p), die Leiter- oder Drahtbreite (w) und die Leiter- oder Drahtdicke (t) kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts (λ) sind. Ein von einer Lichtquelle 132 erzeugter Lichtstrahl 130 fällt in einem Winkel θ zur Normalen auf den Pola risator, wobei die Einfallsebene orthogonal zu den leitenden Elementen verläuft. Die Drahtgitterpolarisationseinrichtung 100 teilt diesen Strahl in gerichtet reflektierte, austretende Lichtstrahlen, nämlich in einen reflektierten Lichtstrahl 140 und in einen durchgelassenen oder übertragenen Lichtstrahl 150. Die S- und P-Polarisierung ist so definiert, dass bei S-polarisiertem Licht der Polarisationsvektor parallel zu den leitenden Elementen verläuft, während bei P-polarisiertem Licht der Polarisationsvektor orthogonal zu den leitenden Elementen verläuft. Im Allgemeinen reflektiert eine Drahtgitterpolarisationseinrichtung Licht derart, dass der elektrische Feldvektor parallel zum Gitter verläuft („S"-Polarisation), während Licht, dessen elektrischer Feldvektor senkrecht zum Gitter verläuft („P"-Polarisation) durchgelassen oder übertragen wird. Die Drahtgitterpolarisationseinrichtung 100 ist insofern eine etwas unübliche Polarisationseinrichtung, als dass es sich bei Durchlass um einen Polarisator des E-Typs handelt, d.h. sie lässt die außerordentlichen Strahlen durch, während sie sich bei Reflexion als O-Polarisator verhält, d.h. sie reflektiert die ordentlichen Strahlen.
Wenn eine derartige Vorrichtung bei senkrechtem Lichteinfall benutzt wird (θ = 0 Grad), wird der reflektierte Lichtstrahl 140 im Allgemeinen zur Lichtquelle 132 umgelenkt, und die Vorrichtung wird als Polarisator bezeichnet. Wenn eine derartige Vorrichtung jedoch nicht mit senkrechten Einfallswinkeln betrieben wird (üblicherweise bei 30° < θ < 60°), folgt der durchgelassene Lichtstrahl 150 getrennten Bahnen, und die Vorrichtung wird als Strahlenteiler bezeichnet. Die detaillierte Konstruktion einer Drahtgittervorrichtung kann in Bezug auf Drahtabstand (p), Drahtbreite (w), Drahtarbeitszyklus (w/p) und Drahtdicke (t) in unterschiedlicher Weise zur Verwendung als Polarisator oder Polarisationsstrahlenteiler verwendet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die digitale Projektionsvorrichtung 10 und das optische Modulationssystem 40, soweit mit Raumlichtmodulatoren konstruiert, auch andere Polarisationsanalysatoren und Polarisationsstrahlenteiler als die der Drahtgitterbauform verwenden können. Beispielsweise kann der Polarisationsstrahlenteiler ein MacNeille-Glasprisma sein, oder der Polarisator kann ein farbstoff-/polymerbasierender Folienpolarisator sein. Innerhalb der vorliegenden Erörterung wird vorausgesetzt, dass es sich bei dem Polarisationsstrahlenteiler um eine Drahtgittervorrichtung handelt, ebenso wie bei der Vorpolarisierungseinrichtung 45 und dem Polarisationsanalysator 60, obwohl dies nicht für alle Konfigurationen des Projektors erforderlich ist.
Die bevorzugten räumlichen Beziehungen dieser Polarisatoren, wie in einem optischen Modulationssystem 200 verwendet, werden in 3 gezeigt. Die Grundstruktur und der Betrieb des optischen Modulationssystems 200 werden in der Parallelanmeldung US-A-6,585,378 beschrieben. Das optische Modulationssystem 200, bei dem es sich um einen Bestandteil eines elektronischen Projektionssystems handelt, umfasst einen eintretenden Lichtstrahl 220, der durch die Vorpolarisationseinrichtung 230 von einem Kondensator 225 auf einen Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240, einen Kompensator 260 und auf einen Raumlichtmodulator 210 (die LCD) fokussiert wird. Ein modulierter, bildtragender Lichtstrahl 290 wird von der Oberfläche des Raumlichtmodulators 210 reflektiert, durch den Kompensator 260 übertragen, von der nahen Oberfläche eines Drahtgitterpolarisationsstrahlenteilers 240 zurückgeworfen und anschließend durch einen Polarisationsanalysator 270 übertragen. Nach Verlassen des optischen Modulationssystems 200 folgt der das Modulationsbild tragende Lichtstrahl 290 der optischen Achse 275 und wird durch das Rekombinationsprisma 280 und die Projektionslinse 285 auf seinem Weg zu dem Schirm übertragen. Die Vorpolarisationseinrichtung 230 und der Polarisationsanalysator 270 sind beides Drahtgitterpolarisationsvorrichtungen. Ein Vollfarbenprojektionssystem würde ein optisches Modulationssystem 200 je Farbe (rot, grün, blau) verwenden, wobei die Farbstrahlen durch das Rekombinationsprisma 280 wieder zusammengesetzt würden. Der Kondensator 225, der normalerweise mehrere Linsenelemente umfasst, ist Bestandteil eines umfangreicheren Beleuchtungssystems, das die Lichtquelle in einen rechteckig geformten Bereich aus gleichmäßigem Licht umwandelt, das den aktiven Bereich des Raumlichtmodulators 210 ausfüllt.
In einem optischen Modulationssystem 200, bei dem ein Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler nach dem Stand der Technik zum Einsatz kommt, besteht der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 aus einem dielektrischen Substrat 245 mit Unterwellenlängen-Drähten 250, die auf einer Oberfläche angeordnet sind (der Maßstab der Drähte ist stark übertrieben dargestellt). Der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 ist zur Reflexion in das Projektionslinsensystem 285 angeordnet, wodurch der Astigmatismus und die Asymmetriefehler vermieden werden, die sich durch Übertragung durch eine geneigte Fläche einschleichen. Der Kompensator 260 ist eine Wellenplatte, die eine geringe Dämpfung erzeugt, die erforderlich ist, um geometrische Ungenauigkeiten und Doppelbrechungseffekte auszugleichen, die von der Oberfläche des Raumlichtmodulators 210 stammen. Wie von Schmidt et al. in US-A-5,576,854 erörtert, kann der Kompensator 260 eine Dämpfung von 0,02 λ (A-Platte) erzeugen, um Pola risationsfehler zu korrigieren, die von restlichen, geometrischen Ungenauigkeiten der LCD-Polarisationsschicht und einer restlichen, thermisch induzierten Doppelbrechung innerhalb des Zählerelektrodensubstrats in dem LCD-Paket stammen. In weniger anspruchsvollen Anwendungen als bei der digitalen Kinotechnik, kann der Kompensator 260 möglicherweise entfallen.
Die Konstruktion des optischen Modulationssystems 200, wie in einer digitalen Kinoanwendung verwendet, ist sowohl durch die Systemspezifikationen als auch durch die Beschränkungen der verfügbaren Drahtgitter-Polarisationseinrichtungen definiert. Insbesondere für die digitale Kinoanwendung muss der elektronische Projektor einen hohen bildfeldsequenziellen Kontrast (1.000:1 oder besser) erzeugen. Hierzu müssen die optischen Polarisationskomponenten, ohne den Raumlichtmodulator 210 (die LCD) des optischen Modulationssystems 200, einen Gesamtkontrast des optischen Systems von ca. 2.000:1 liefern. Der tatsächliche Sollkontrast für die Polarisationsoptik hängt von der Leistung der LCDs ab. Wenn beispielsweise die LCDs nur einen Kontrast von ca. 1.500:1 erzeugen, muss die Polarisationsoptik einen Kontrast von ca. 3.000:1 liefern. Beispielsweise wird eine LCD mit vertikal ausgerichteten Molekülen für die digitale Kinoanwendung aufgrund des hohen immanenten Kontrasts bevorzugt. Die Kontrastleistung der LCD und der Polarisationsoptik nimmt üblicherweise mit steigender numerischer Apertur des einfallenden Strahls ab. Mit den heutigen Technologien reicht es leider nicht aus, einen einzelnen Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 zu verwenden, um den Sollkontrast von 2.000:1 für die Polarisationsoptik zu erzielen. Daher kommt in dem optischen Modulationssystem 200 auch eine Vorpolarisationseinrichtung 230 und ein Polarisationsanalysator 270 zum Einsatz, um die angestrebte Polarisationsleistung zu erhalten.
Die Konstruktion und der Betrieb des optischen Modulationssystems 200 lassen eingehender im Detail verstehen, wenn man dies in Bezug zur Polarisationsleistung setzt. Vorzugsweise ist der Vorpolarisationseinrichtung 230 so ausgerichtet, dass er „P"-polarisiertes Licht auf das optische Modulationssystem überträgt. Der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 ist so ausgerichtet, dass das Unterwellenlängendrahtmuster parallel zu den Unterwellenlängendrähten der Vorpolarisationseinrichtung 230 ausgerichtet ist (d.h. dass die beiden Einrichtungen sich nicht kreuzen). Das durchgelassene oder übertragende Licht „P" wird somit durch die Übertragung durch den Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler weiter modifiziert. Der übertragene Lichtstrahl tritt dann durch den Kompensator 260 und trifft auf den Raumlichtmodulator 210, bei dem es sich um eine reflektierende LCD handelt, die den Polarisationszustand des einfallenden Lichts pixelweise je nach anliegender Steuerspannung ändert. Die Zwischencodewerte, also die Werte zwischen weiß und schwarz, reduzieren den Einschaltzustand und erhöhen den Ausschaltzustand des Lichts. Der „Einschaltzustand" des Lichts, der durch Polarisation gedreht ist, ist der „S"-Polarisationszustand in Bezug zu dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240. Im "S"-Zustand wird Licht von dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 zurückgeworfen, durch den optionalen Kompensator 265 (siehe 5a und 10) sowie den Polarisationsanalysator 270 übertragen und von einer Projektionslinse 285 auf den Schirm gerichtet. Der Gesamtkontrast (Cs) für das optische Modulationssystem 200 (ohne Beteiligung von LCD und Kompensator) lässt sich näherungsweise durch folgende Formel bestimmen: 1/Cs = 1/(CT1·CT2) + 1/(CR2·CT3),wobei C_T1 für den Übertragungskontrast der Vorpolarisationseinrichtung 230 steht, C_T2 und C_R2 für die Übertragungs- und Reflexionskontrastverhältnisse für den Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 und C_T3 für den Übertragungskontrast des Polarisationsanalysators 270. In diesem System ist der Gesamtkontrast größtenteils durch das niedrige Reflexionskontrastverhältnis C_R2 für den „S"-Polarisationszustand des Lichts bestimmt, wie es vom Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 zurückgeworfen wird. Der Analysatorkontrast C_T3 muss recht hoch sein, um die niedrigen Werte von C_R2 (ca. 30:1) auszugleichen. Die Übertragungskontrastwerte C_T1 und C_T2 brauchen dagegen nicht besonders hoch zu sein, vorausgesetzt, dass die jeweiligen Kontrastwerte über dem gesamten Spektrum einigermaßen einheitlich bleiben. Der Polarisationsanalysator 270 ist so auf den Einschaltzustand des Lichts ausgerichtet, das vom Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 reflektiert wird und in Bezug zum Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 eine "S"-Polarisation aufweist, dass der Polarisationsanalysator dieses Licht als Licht im "P"-Polarisationszustand in Bezug auf seine eigene Struktur aufnimmt. Der Polarisationsanalysator 270 entfernt daher alle durch den Polarisationswechsel bedingten Lichtstreuungen, die den Strahl im gewünschten „Einschaltzustand" begleiten.
Im grünen Licht mit einer Wellenlänge von 550 nm hat die Vorpolarisationseinrichtung 230 beispielsweise ein winkelgemitteltes Polarisationskontrastverhältnis von ca. 250:1. Bei Ver wendung in Kombination erzeugen der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 und die Vorpolarisationseinrichtung 230 ein bildfeldsequenzielles optisches Kontrastverhältnis von ca. 25:1, das weit hinter den Systemanforderungen zurückbleibt. Die Polarisationsleistung des gesamten optischen Modulationssystems 200 wird daher auch durch die Einbringung eines Polarisationsanalysators 270 verbessert, der identisch mit der Vorpolarisationseinrichtung 230 ist. Der Polarisationsanalysator 270 entfernt Streuungen des Lichts, das von dem bevorzugten Polarisationszustand abweicht, und verstärkt den theoretischen Systemgesamtkontrast Cs auf ca. 2900:1. Die Leistung schwankt über dem sichtbaren Spektrum erheblich, wobei die gleiche Kombination der Drahtgitterpolarisationseinrichtungen einen Kontrast im roten Spektrum von ca. 3.400:1 erzeugt, im blauen Spektrum jedoch nur von ca. 900:1. Diese Leistungsschwankung könnte man sicherlich durch Verwendung farbbandabgestimmter Einrichtungen reduzieren, sofern diese verfügbar sind.
Das optische Modulationssystem 200 lässt sich am besten mit einem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 konstruieren, dessen Oberfläche mit den Subwellenlängendrähten 250 zum Raumlichtmodulator 210 gerichtet ist, statt zur Beleuchtungsoptik (Kondensator 225) und zur Lichtquelle (siehe 3). Während der Gesamtkontrast (Cs) in dieser Ausrichtung ca. 2.900:1 beträgt, fällt der Nettokontrast auf ca. 250:1 ab, wenn die alternative Ausrichtung verwendet wird (Drähte auf der Oberfläche zur Lichtquelle gerichtet). Die Differenz in Bezug auf den Gesamtkontrast bei Konstruktion des optischen Modulationssystems 200 derart, dass das Licht von dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 zurückgeworfen wird, und zwar als eine Funktion der Ausrichtung der Subwellenlängendrähte 250 entweder auf den Raumlichtmodulator oder auf die Lichtquelle, kann für weniger lichtempfindliche Systeme (größere Winkelbreite) weniger wichtig sein. Wie in 3 gezeigt, liefert das optische Modulationssystem 200 den höchsten Kontrast und die höchste Lichtausbeute, wenn die Subwellenlängendrähte 250 des Drahtgitterpolarisationsstrahlenteilers 240 „vertikal" ausgerichtet sind („auf die Seite", wie gezeigt), statt „horizontal" (innerhalb der Seitenebene). Der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 lässt sich zudem um einige wenige Grad (um die Oberflächensenkrechte) drehen, um die Kontrastleistung abzustimmen.
Um einen digitalen Kinoprojektor zu bauen, ist es notwendig, die Bildhelligkeit (10.000–15.000 Lumen) und den Kontrast (1.000:1+) gleichzeitig zu maximieren, und das bei einem System, das Leinwände von ca. 10 bis 17 m Breite ausleuchtet, während gleichzeitig die Ein schränkungen in Bezug auf Optik, Drahtgittereinrichtungen und LCDs gelöst werden müssen. Die Bildhelligkeit lässt sich maximieren, indem man den Öffnungswinkel (die numerische Apertur) des Lichts, das auf den Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler und das LCD fällt, erhöht. Bei einem größeren Öffnungswinkel (oder einer kleineren Winkelbreite F#) kann die Projektionsoptik mehr Licht sammeln. Gleichzeitig gilt, dass je größer der Winkel des am Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler einfallenden Lichts ist, umso größer ist das Streulicht aus anderen Polarisationszuständen und umso kleiner ist das verfügbare Kontrastverhältnis (CR/Contrast Ratio). 4 zeigt eine Kurve des Kontrasts für das optische Modulationssystem 200 (einschließlich der Vorpolarisationseinrichtung 230, des Drahtgitterpolarisationsstrahlenteilers 240, einer VA LCD und eines Polarisationsanalysators 270) im Verhältnis zur Winkelbreite F# des durch das System übertragenen Lichts. Die Kurve des Systemkontrasts 300 zeigt bei F/2,3 ein Kontrastverhältnis von ca. 600:1. Dieser Wert ist deutlich niedriger als der Kontrast von 1.000:1+, der für die digitale Kinoprojektion benötigt wird. Die Berechnungen der Lichtausbeute weisen jedoch darauf hin, dass ein LCD-basierender, digitaler Kinoprojektor unterhalb von F/3,0 arbeiten muss, um die erforderlichen Leinwandhelligkeitswerte zu erzielen, wobei für größere Leinwände ggf. eine Systemempfindlichkeit von F/2,0 bis F/2,3 erforderlich ist.
5a zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der Lichtpolarisationszustände für Licht, das von dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 innerhalb eines optischen Modulationssystems für ein Pixel der LCD 210 reflektiert und übertragen wird. Ein kollimierter oder gerichtet reflektierter vorpolarisierter Strahl 350 wird durch den Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 übertragen. Wie in 5a gezeigt, erfolgt die elektrische Feldpolarisation des übertragenen Strahls 355 auf einem Vektor, der rechtwinklig zum Drahtgitter des Drahtgitterpolarisationsstrahlenteilers 240 verläuft. Ein zurückkehrender, modulierter Strahl 360 wird von dem Pixel auf LCD 210 reflektiert, wobei das „S"-polarisierte Licht die Bilddaten darstellt und das „P"-polarisierte Licht abgewiesen wird. Der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 überträgt im Idealfall 100% des unerwünschten „p"-Lichts als ein moduliertes, übertragenes Licht 370. Allerdings wird etwas Streulicht 365 von dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 reflektiert und begleitet den „s"-modulierten Strahl 360, wodurch sich der Kontrast verringert (Verhältnis von „s" zu „p"). In Bezug zum modulierten Strahl 360 dient der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler bei der Übertragung als Vorpolarisationsein richtung und bei der Reflexion als Polarisationsanalysator, womit er die typische gekreuzte Polarisatorkonfiguration umfasst.
Während bei achsenweise kollimiertem Licht nur ein gewisser Verlust des Polarisationskontrasts auftritt, sind diese Verluste bei spitzen und schrägen Strahlen wesentlich größer. Um dies besser verstehen zu können, beinhaltet 5a eine Darstellung der Strahlgeometrie für einen nicht gerichtet reflektierten Strahl mit großer numerischer Apertur auf einer um 45° geneigten Fläche eines Drahtgitterpolarisationsstrahlenteilers 240, während 5b die Geometrie für einen Strahl zeigt, der senkrecht zu einer Fläche einfällt (beispielsweise der LCD 210, der Vorpolarisationseinrichtung 230 oder dem Polarisationsanalysator 270). Für den Fall des senkrecht einfallenden Strahls wird der Strahl durch eine Azimutbewegung von 0–180° beschrieben, während die polare Bewegung der Winkel begrenzt ist (0–15°C für F/2,0). Die schrägen Strahlen sind die Strahlen, die in die vier Quadranten außerhalb der Achsen fallen (Azimutwinkel 0° und 180°, 90° und 270°), wie durch die gekreuzten Polarisatoren gebildet, und die in Ebenen liegen, die die lokale optische Achse 275 enthalten. Die schrägen Strahlen sind die Strahlen, die in Ebenen liegen, die nicht die lokale optische Achse 275 enthalten. Für den Fall eines Lichteinfalls auf die um 45° geneigte Fläche ist der eintreffende Strahl ebenfalls durch eine Azimutbewegung von 0–180° definiert, während der polare Winkelumfang ca. 0–15° in Bezug zur optischen Achse oder eine Bewegung von ca. 30–60° relativ zur Drahtgitteroberfläche abdeckt. Diese Strahlengeometrie ist bei der Bewertung der Ergebnisse aus 8a–i von Bedeutung.
6a zeigt das Polarisationskontrastprofil für gekreuzte Polarisatoren, das im Winkelraum sichtbar ist und als „Iron Cross/Eisenkreuz" bezeichnet wird. Das Eisenkreuzmuster 320 weist starke Extinktionen in Richtungen auf, die parallel und rechtwinklig zum Gitter des Analysators verlaufen, und abgeschwächte Extinktionen für schräge Strahlen und die spitzen Strahlen in den vier zur Achse versetzten Quadranten. Da der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler eine überlegene Winkelleistung im Vergleich mit den meisten vorhandenen Polarisatoren aufweist, geht man im Allgemeinen davon aus, dass diese Vorrichtungen keine Probleme mit schrägen Strahlen aufweisen, so dass sie keiner weiteren Kompensation der Polarisation bedürfen. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler bei Reflexion als O-Polarisatoren und bei Transmission als E-Polarisatoren arbeiten und daher eigenständig eine gewisse Kompensation vornehmen, wenn sie im optischen Modulationssystem 200 sowohl im Transmissions- als auch im Reflexionsmodus betrieben werden. Doch auch dann ist die Extinktion des Drahtgitterpolarisationsstrahlenteilers für anspruchsvolle Anwendungen, wie das digitale Kino, immer noch nicht ausreichend.
In den ursprünglichen elektronischen Projektionssystemen, die mithilfe reflektierender Flüssigkristallanzeigen entwickelt wurden, wurde jede LCD von hinten über eine Bildröhre adressiert. Heute werden moderne, reflektierende LCDs direkt elektronisch mithilfe einer Siliziumplatine adressiert. Diese modernen Vorrichtungen, die als LCOS-Displays (Liquid Crystal On Silicon) bezeichnet werden, umfassen im Allgemeinen ein Siliciumsubstrat, das mit einer Pixeladressierungsschaltung bemustert und mit reflektierenden und lichtsperrenden Schichten beschichtet ist, gefolgt von einer LCD-Ausrichtungsschicht, einer Dünnschicht (ca. 5 μm) aus Flüssigkristall und einem antireflexionsvergüteten (AR) Deckglas. Die Innenfläche des Deckglases für eine LCD weist eine ITO-Elektroden-Adressierungsschicht und eine Ausrichtungsschicht auf der Innenseite auf, die bündig an der Flüssigkristallschicht anliegt. Die optische Leistung einer LCD hängt von vielen Konstruktionsparametern ab, einschließlich der materiellen Eigenschaften der Flüssigkristalle, der Elektrodenstruktur, der Pixelbemustertung und Nähe, der Ausrichtung im Ein- und Ausschaltzustand der Flüssigkristallmoleküle, der Verwendung und Konstruktion der Ausrichtungsschichten, der optischen Eigenschaften der Reflexions-, Antireflexions- und Lichtsperrschichten usw. Während die Flüssigkristallmoleküle beispielsweise theoretisch vertikal zu den Innenflächen des Siliciumsubstrats und des Deckglases angeordnet sind, sind die Moleküle in Nähe der Oberfläche mit einer Restneigung von 1–2 Grad zur Senkrechten ausgerichtet. Wenn der Restneigungswinkel größer wird, leidet der Kontrast der Vorrichtung.
Das in 6a gezeigte „Eisenkreuz" stellt auch das Polarisations-Nennansprechverhalten einer idealen VA LCD dar, wie durch gekreuzte Polarisatoren betrachtet, vorausgesetzt, diese hat einen vernachlässigbaren Neigungswinkel. Der durch das optische Modulationssystem erzeugte Nettokontrast wird jedoch möglicherweise durch verschiedene Effekte in den LCDs (große Neigungswinkel, Vorspannungen für den ausgeschalteten Zustand, thermisch induzierte Spannungen und große Einfallswinkel (große numerische Aperturen) oder innerhalb der Polarisationseinrichtungen beeinträchtigt, etwa in dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler (Drahtausrichtung zur Oberfläche, Drahtdrehung und Einfallswinkel (große numerische Aperturen). Diese Effekte können dazu führen, dass der Kontrast allgemein sinkt, während das Eisenkreuzmuster 320 erhalten bleibt, oder sie können dazu führen, dass sich das Eisenkreuzmuster 320 zu einem anderen Extinktionsmuster verformt (z.B. zu einem „Basketballmuster 325, wie in 6b gezeigt). Für den Fall des optischen Modulationssystems 200, das zum Teil eine Vorpolarisationseinrichtung 230, einen Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240, eine vertikal ausgerichtete LCD 210 und einen Polarisationsanalysator 270 umfasst, liefert das Nennsystem im grünen Spektrum bei F/2,3 lediglich einen Kontrast von ca. 600:1, was unterhalb der Spezifikationen liegt. Der Systemkontrast lässt sich durch Verwendung der entsprechenden Kompensatoren allerdings verbessern, um die Spezifikationen zu erfüllen oder zu übertreffen. Der Polarisationskontrast lässt sich mit Gewissheit verbessern, indem man Änderungen an den eigentlichen Polarisationseinrichtungen vornimmt (dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler und den LCDs). Da es allerdings nicht immer möglich oder unproblematisch ist, die Grundkonstruktion, die Fertigung und die Leistungsbeschränkungen dieser Vorrichtungen zu verändern, hat man nach alternativen Verfahren zur Verbesserung des Kontrasts gesucht. Die Kontrastleistung des optischen Modulationssystems 200 ist mit neuen Polarisationskompensatoren verbessert worden, die insbesondere für den Betrieb mit Drahtgitterpolarisationseinrichtungen entwickelt worden sind, sowie mit neuen Polarisationskompensatoren, die insbesondere für den kombinierten Betrieb von vertikal ausgerichteten LCDs und Drahtgittervorrichtungen entwickelt worden sind.
Kompensatoren und Polarisatoren werden aus doppelbrechenden Materialien konstruiert, die mehrere Brechungsindizes aufweisen. Im Vergleich damit haben isotrope Materialien (wie Glas) einen einzelnen Brechungsindex, während uniaxiale Materialien (wie Flüssigkristalle) zwei Brechungsindizes aufweisen. Optische Materialien können bis zu drei Brechungshauptindizes aufweisen. Die Materialien, bei denen alle drei Brechungsindizes unterschiedlich sind, werden als biaxial bezeichnet und werden durch ihre Hauptindizes nx₀, ny₀, nz₀ sowie die drei Ausrichtungswinkel eindeutig angegeben, wie in 7a gezeigt. 7b zeigt einen biaxialen Film, dessen Achsen nx₀, ny₀, nz₀ mit den Achsen x, y bzw. z ausgerichtet sind. Diese Materialien mit zwei gleichen Brechungshauptindizes werden als uniaxiale Materialien bezeichnet. Die beiden gleichen Indizes sind ordentliche oder gewöhnliche Indizes und werden als n_o bezeichnet. Die anderen, unterschiedlichen Indizes werden als außerordentliche Indizes n_e bezeichnet. Die Achse n_e wird auch als optische Achse bezeichnet. Uniaxiale Materialien sind eindeutig durch n_e, n_o und zwei Winkel gekennzeichnet, die die Ausrichtung ihrer optischen Achse beschreiben. Wenn alle drei Hauptindizes gleich sind, werden die Materialien als isotrop bezeichnet.
Das Licht wird je nach Polarisationsrichtung des elektrischen Feldes beim Durchtreten des uniaxialen oder biaxialen Materials unterschiedlichen Brechungsindizes unterworfen, so dass zwischen zwei Eigenmodi des elektrischen Feldes eine Phasendifferenz eingebracht wird. Diese Phasendifferenz verändert sich mit der Fortpflanzungsrichtung des Lichts, so dass sich die Transmission des Lichts winkelabhängig verändert, wenn uniaxiale oder biaxiale Materialien zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren angeordnet werden. Diese Phasendifferenz bewirkt Modifikationen der lokalen Polarisationsausrichtungen für die Strahlen, die entlang der Bahnen verlaufen, die nicht parallel zur optischen Achse verlaufen. Ein Kompensator modifiziert oder konditioniert die lokalen Polarisationsausrichtungen für Strahlen mit längeren polaren Winkeln, die auch schräge und spitze Strahlen umfassen. Ein Flüssigkristallmaterial ist typischerweise ein uniaxiales Material. Wenn es zwischen zwei Substraten angeordnet ist, wie in einer Flüssigkristallanzeige, wechselt dessen optische Achse im Allgemeinen über die Dicke hinweg, und zwar abhängig von dessen Verankerung an den Substraten und der über der Dicke anliegenden Spannung. Ein Kompensator ist mit einem oder mehreren uniaxialen und/oder biaxialen Filmen konstruiert, die derart ausgelegt sind, dass sie winkelabhängige Phasendifferenzen in einer Weise einbringen, die die Winkelabhängigkeit der durch die Flüssigkristalle oder andere Optiken eingebrachten Phasendifferenz versetzt. Wie in der Technik bekannt, wird ein uniaxialer Film, dessen optische Achse parallel zur Filmebene verläuft, als A-Platte bezeichnet, wie in 7c gezeigt, während ein uniaxialer Film, dessen optische Achse rechtwinklig zur Ebene des Films verläuft, als C-Platte bezeichnet wird, wie in 7d gezeigt. Ein uniaxiales Material, dessen Wert n_e größer ist als n_o, wird als positiv doppelbrechend bezeichnet. Ein uniaxiales Material, dessen Wert n_e kleiner ist als n_o, wird als negativ doppelbrechend bezeichnet. Sowohl A-Platten als auch C-Platten können je nach Wert von n_e und n_o positiv oder negativ sein. Bei einem anspruchsvollen, mehrschichtigen Kompensator 400 variiert die optische Achse oder variieren die drei Hauptindexachsen über dessen Dicke, wie in 7e gezeigt, wo ein Stapel aus Kompensationsfilmen (doppelbrechende Schichten 410a, 410b und 410c) mit einem Substrat 420 verwendet wird, um den kompletten Kompensator zu bilden. Eine detaillierte Erörterung der Stapelkompensation wird von Koch et al. in US-A-5,619,352 beschrieben. Wie in der Technik bekannt ist, können C-Platten durch die Verwendung uniaxial verdichteter Polymere oder durch Gießen von Azetat cellulose hergestellt werden, während A-Platten aus gestreckten Polymerfolien hergestellt werden können, beispielsweise aus Polyvinylalkohol oder Polycarbonat.
Die Kombination gekreuzter Drahtgitterpolarisationseinrichtungen (Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240, Vorpolarisationseinrichtung 230 und Polarisationsanalysator 270) in einem optischen Modulationssystem liefert einen sehr guten Dunkelzustand für Licht, das in den Ebenen parallel oder rechtwinklig zu den Drähten verläuft. Allerdings kommt es zu einer maximalen Lichtstreuung, wenn Licht in einem großen polaren Winkel (Theta) weg von der Polarisatorsenkrechten verläuft und mit 45/135 Grad relativ zu den Drähten verläuft (5b zeigt die polare und Azimutgeometrie für die Polarisatoren). Beispielsweise und wie in 6a gezeigt, kann für das standardmäßige „Eisenkreuz"-Extinktionsmuster ein Kontrastspitzenwert entlang der Achsen den Wert von 1.000:1 überschreiten, während der Kontrast in den vier Quadranden, die 45 Grad zu den gekreuzten Koordinatenachsen versetzt angeordnet sind, auf 300:1 oder weniger abfällt. Licht, das diese Winkelbereiche durchtritt, und das schräge Strahlen aufweist, erfährt eine geringere Extinktion als Licht, das näher zu den Achsen durchtritt. Dieser Kontrastverlust aus den Quadrantenstrahlen und den schrägen Strahlen kann für die digitale Kinoprojektion erheblich sein, für die wiederum ein hoher Kontrast des optischen Systems (> 2.000:1) und eine empfindliche Optik (< F/3,0) erforderlich ist.
Drahtgitterpolarisationseinrichtungen wurden unter Anwendung der „Effective-Medium-Theory" (EMT) untersucht (siehe „Generalized model for wire grid polarizers", Yeh, SPIE Band 307, (1981), Seite 13–21). Wenn der Gitterabstand (p) viel kleiner als die Wellenlänge (λ) ist, lässt sich der Subwellenlängen-Gitterabstand näherungsweise ermitteln, indem man von einem uniaxialen Film mit effektiven Brechungsindizes ausgeht. Die Effective-Medium-Theory ist zwar viel einfacher zu implementieren und ermöglicht ein qualitatives Verständnis der Drahtgitterpolarisatoren, liefert jedoch im Allgemeinen keine genauen Ergebnisse. Dies gilt insbesondere für die Berechnung sehr niedriger Transmissionen durch gekreuzte Drahtgitterpolarisationseinrichtungen. Die Beschränkungen der Effective-Medium-Theory wurden von Kihuta et al. ("Ability and limitation of effective medium theory for subwavelength gratings", Optical Review 2, (1995) Seite 92–99) beschrieben. Als Ergebnis wurden Drahtgitterpolarisationseinrichtungen mithilfe der genaueren „Rigorous Coupled Wave Analysis" (RCWA) beschrieben, wie von Kuta et al. in "Coupled-wave analysis of lamellar metal transmission gratings for the visible and the infrared", Journal of the Optical Society of America A, Band 12, (1995), Seite 1118–1127, beschrieben. Die in 8a bis 8i genannten Ergebnisse für Drahtgitterpolarisationseinrichtungen werden mit RCWA modelliert.
8a zeigt die theoretische Transmission durch Drahtgitterpolarisationseinrichtungen bei senkrechtem Lichteinfall und zeigt, dass die Transmission bei einem polaren Winkel von 20° (F/1,5) und einem Azimutwinkel von 45° 0,99 × 10^–3 beträgt, was 2,5 × größer als die Transmission von 0,4 × 10^–3 bei einem polaren Winkel von 0° ist. Für einen größeren polaren Winkel, wie 40° (F/0,8) und einem Azimutwinkel von 45° ist der Transmissionsverlust mit einem Wert von 5 × 10^–3 viel größer. Die erhöhte Transmission führt zu zusätzlichen Lichtstreuungen und somit zum Kontrastverlust. Für diese Berechnungen wurden die Drahtgitterpolarisationseinrichtungen als Aluminiumgitterstrukturen modelliert, die auf Corning-Glas des Typs 1737F aufgebracht wurde und einen Gitterabstand von 144 nm (ca. λ/4) einen Drahtarbeitszyklus von 0,45 und eine Drahthöhe von 130 nm aufwiesen. Die Drahtgitterpolarisationseinrichtung ist im grünen Bereich bei 550 nm modelliert, wobei der Brechungsindex von Al 0,974 + i6,73 beträgt und der Brechungsindex des Corning-Glases 1,52 beträgt. Diese Parameter werden für 8a bis 8i verwendet, soweit nicht anders angegeben. Wie in 8a gezeigt, tritt die maximale Lichtstreuung (reduzierter Kontrast) bei 45° in Bezug zum Drahtgitter auf. 8a kann unter Bezug auf die Geometrie von 5b verstanden werden, in der gezeigt wird, dass für den senkrecht einfallenden Strahl der relevante Lichtkonus durch eine Azimutbewegung von 0–180° und eine polare Bewegung von ca. 0–20° (F/1,5) beschrieben wird. Die Kurve aus 8a zeigt Transmissionsschwankungen für gekreuzte Polarisationseinrichtungen gegenüber Azimutwinkeln und polaren Winkeln anstatt Kontrastabweichungen. Der Polarisationskontrast kann für ein komplexes System, wie das optische Modulationssystem 200, schwer zu modellieren sein. Allerdings ist der Kontrast ungefähr umgekehrt proportional zu der Transmission für gekreuzte Polarisationseinrichtungen, so dass kleine Änderungen in dem übertragenen Licht große Änderungen in dem Systemkontrast bewirken können. Während 8a–f erhebliche winkelversetzte Transmissionseffekte für spitzere Strahlen (insbesondere bei 10° oder F/2,9) aufweisen, werden die Daten aufgrund der besseren Vergleichsmöglichkeiten konstant bei 20° (F/1,5) gezeigt.
Das allgemeine Verhalten gekreuzter Drahtgitterpolarisationseinrichtungen in Bezug auf Lichtstreuungen bei schrägen und spitzen Strahlen und großen polaren Winkeln ändert sich durch Verwendung besserer Polarisatoren nicht wesentlich. Die Modellierung hat beispiels weise gezeigt, dass sogar dann, wenn die Teilung des Drahtgitters viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist, z.B. 1/100, ein erheblicher Anteil des Lichts dennoch durch zwei gekreuzte Drahtgitterpolarisationseinrichtungen bei großen polaren Winkeln verloren geht. 8b zeigt die Transmission durch gekreuzte Drahtgitterpolarisationseinrichtungen, wobei die Gitterteilung der Drahtgitterpolarisationseinrichtungen 5,5 nm (λ/100) beträgt. Selbstverständlich weist die Einrichtung mit kleinerer Gitterteilung von λ/100 eine niedrigere Transmission als die Einrichtung mit Gitterteilung λ/4 auf (0,23 × 10^–3 gegenüber 0,4 × 10^–3 bei einem polaren Winkel von 0°) und somit einen höheren Kontrast (die theoretischen Kontrastdifferenzen sind zwischen Einrichtungen mit Gitterteilung λ/100 und λ/4 viel größer als das Doppelte). In diesem Fall weist die modellierte Einrichtung mit Gitterteilung λ/100 eine erhöhte Transmission (und somit einen größeren Lichtverlust) bei einem polaren Winkel von 20° und einem Azimutwinkel von 45° von 0,95 × 10^–3 auf, was ungefähr dem Vierfachen der Transmission von 0,23 × 10^–3 bei einem polaren Winkel von 0° entspricht. Bei einem polaren Winkel von 40° (und einem Azimutwinkel von 45°) ist die Transmission (und der Lichtverlust) 10mal größer (9,7 × 10^–3). Somit ist das achsenversetzte Verhalten sogar für diese Drahtgitter mit einer Teilung von λ/100, die also wesentlich feiner ist als das, was fertigungstechnisch derzeit möglich ist, ungefähr gleich, obwohl die theoretische Extinktion größer ist.
Drahtgitterpolarisationseinrichtungen, die die P-Polarisation als einen außerordentlichen Strahl (E-Typ) durchlassen, und die die S-Polarisation als einen ordentlichen Strahl (O-Typ) reflektieren, während nur ca. 10% des einfallenden Lichts absorbiert werden, können nicht als uniaxialer Film behandelt werden. Der von der Polaroid Corporation hergestellte, standardmäßige Folienpolarisator ist mit der Drahtgitterpolarisationseinrichtung insofern vergleichbar, als dass er „Drähte" (Iodidatome, eingebettet in gestreckten PVA-Kunststoff) verwendet, unterscheidet sich als Vorrichtung jedoch erheblich. Erstens sind die Subwellenlängen„Drähte" (p << λ) des Farbstofffolienpolarisators deutlich kleiner als die Drähte der Drahtgitterpolarisationseinrichtung für sichtbare Wellenlängen (p~/λ4). Darüber hinaus ist der Farbstofffolienpolarisator ein Polarisator des O-Typs, der die ordentlichen Wellen überträgt und die außerordentlichen Wellen absorbiert (nicht reflektiert). Der standardmäßige Farbstofffolienpolarisator lässt sich als ein uniaxialer Film mit einem außerordentlichen Index und einem ordentlichen Index genau modellieren. Die Firma Optiva Inc. hat jüngst Folienpolarisatoren des E-Typs auf Basis eines supramolekularen lyotropen Flüssigkristallmaterials ent wickelt, das die außerordentliche Welle überträgt und die ordentliche Welle des einfallenden Lichts absorbiert (siehe Lazarev et al., "Low-leakage off-angle in E-polarizers", Journal of the SID, Band 9, (2001), Seite 101–105). Der Optiva-Polarisator ist ein Folienpolarisator, der ähnlich dem standardmäßigen Farbstofffolienpolarisator ist, mit dem Unterschied, dass dies ein Polarisator des E-Typs ist, der die außerordentliche Welle durchlässt und die ordentliche Welle absorbiert (nicht reflektiert).
Wenn zwei Polaroid Farbstofffolienpolarisatoren des O-Typs in der gekreuzten Konfiguration verwendet werden, entsteht ebenfalls ein Eisenkreuzmuster 320 (siehe 6a). Bei diesen konventionellen, gekreuzten Folienpolarisatoren tritt Lichtverlust bei schräg einfallenden Strahlen mit einem maximalen Verlust bei 45° relativ zu den Transmissions- oder Absorptionsachsen der Folienpolarisatoren auf. Es wurden verschiedene Kompensatoren beschrieben, die Lichtverlust durch gekreuzte Polarisatoren des O-Typs reduzieren sollen, wie von Chen et al. und in Uchida et al. (T. Ishinabe, T. Miyahita und T. Uchida, "Novel Wide Viewing Angle Polarizer with High Achromaticity", SID 2000 Digest, Seite 1094–1097) beschrieben. Nach Chen reduziert eine Kombination uniaxialer Materialien, eine A-Platte und eine C-Platte, den Lichtverlust bei Winkelversatz erheblich. Eine der Konstruktionsanforderungen besteht darin, dass die optische Achse der A-Platte parallel zu der Transmissionsachse des benachbarten Polarisators verläuft. Uchida löst das gleiche Problem mithilfe von zwei biaxialen Filmen zur Konstruktion des Kompensators.
Obwohl Drahtgitterpolarisationseinrichtungen (bei Transmission Polarisator des E-Typs, bei Reflexion Polarisator des O-Typs) und standardmäßige Folienpolarisatoren (bei Transmission Polarisator des O-Typs, bei Reflexion Polarisator des E-Typs) Vorrichtungen sind, die sich erheblich voneinander unterscheiden, lassen sich durch Kombination eines bestehenden Kompensators für einen Folienpolarisator mit einer gekreuzten Drahtgitterpolarisationseinrichtung Vorteile erzielen. 8c zeigt die Transmission durch gekreuzte Drahtgitterpolarisationseinrichtungen mit einem Folienpolarisationskompensator nach dem Stand der Technik von Chen et al, der aus einer A-Platte von 137 nm und einer C-Platte von 80 nm besteht. Für einen Lichtstrahl in einem polaren Winkel von 20° (F/1,5) und einem Azimutwinkel von 45° erzielt dieser Kompensator eine deutliche Verbesserung; er reduziert die Transmission auf 0,52 × 10^–3, was ca. 30% mehr Lichtverlust gegenüber dem Fall in Achsenrichtung für einen unkompensierten, gekreuzten Polarisator darstellt (0,4 × 10^–3). Doch auch bei größeren polaren Winkeln, von z.B. 40° (und einem Azimutwinkel von 45°) ermöglicht dieser Kompensator erneut eine wesentlich größere Transmission, und zwar von 2,4 × 10^–3, was ca. 6 × mehr als in Achsenrichtung ist. Die Gitterteilung des Drahtgitters wird auch hier mit 144 nm angenommen. Obwohl Kompensatoren für Folienpolarisatoren in Kombination mit gekreuzten Drahtgitterpolarisationseinrichtungen verwendbar sind, um eine gewisse Verbesserung des Polarisationskontrasts zu erzielen, bleibt dennoch Raum für weitere Verbesserungen.
Es ist glücklicherweise möglich, Kompensatoren zu konstruieren, die speziell auf den Betrieb mit Drahtgitterpolarisationseinrichtungen und Drahtgitterpolarisationsstrahlenteilern optimiert sind, und die verwendet werden können, um den durch das optische Modulationssystem 200 erzeugten Kontrast zu verstärken. Wenn Drahtgitterpolarisationseinrichtungen als Polarisationsstrahlenteiler verwendet werden, übertragen sie zunächst Licht und reflektieren es dann, oder sie reflektieren zunächst Licht und übertragen es dann. Der Winkel, in dem das Licht das erste Mal auf die Drahtgitterpolarisationseinrichtung fällt, ist im Allgemeinen anders als der Winkel, in dem das Licht zum zweiten Mal darauf fällt. Die neuen Kompensatoren wurden entwickelt, um Lichtverlust durch gekreuzte Drahtgitterpolarisationseinrichtungen bei versetzten Winkeln innerhalb des optischen Modulationssystems 200 zu minimieren. Desgleichen wurden Kompensatoren entwickelt, die Lichtverlust durch einen Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler reduzieren.
Als ein erstes Beispiel wurde ein Polarisationskompensator als eine Kombination einer A- und einer C-Platte entwickelt, von denen keine die achsenrichtige Transmission beeinträchtigt, jedoch die achsenversetzte Transmission reduziert. Der konstruierte Kompensator, der die Leistung der gekreuzten Drahtgitterpolarisationseinrichtungen (Vorpolarisationseinrichtung 230 und Polarisationsanalysator 270 aus 3) verbessert, verwendet eine Kombination aus zwei speziellen, doppelbrechenden Filmen, nämlich eine A-Platte von +275 nm und eine C-Platte von –60 nm. 8d, die die gesamte Transmission durch die Kombination der gekreuzten Drahtgitterpolarisationseinrichtungen und des Kompensators aus dem ersten Beispiel zeigt, weist eine umfassende Änderung der Transmissionsansprechkurven auf, aus denen eine deutliche Reduzierung des übertragenen Lichts im Vergleich zu 8a hervorgeht. Die Transmission liegt für alle polaren Winkel von bis zu 40° (ca. 0,4 × 10^–3 bei 20° polarem Winkel) unterhalb von 0,48 × 10^–3, was grundsätzlich der achsenrichtigen Transmission für die unkompensierten, gekreuzten Drahtgitterpolarisationseinrichtungen (0,4 × 10^–3) entspricht.
Der Kompensator modifiziert oder konditioniert die Polarisationsausrichtungen der schrägen und spitzen Strahlen, um deren Transmission durch die gekreuzten Polarisatoren zu verbessern, wodurch der Kontrast des modulierten Strahls verbessert wird. Dieser optimierte Kompensator für Drahtgitterpolarisationseinrichtungen liefert zudem eine deutlich bessere Leistung als der zuvor besprochene Folienpolarisationskompensator. Die optische Achse der A-Platte für diesen Drahtgitterpolarisator-Kompensator ist rechtwinklig zur Transmissionsachse des benachbarten Polarisators angeordnet. Im Vergleich dazu setzt der Folienpolarisationskompensator, wie von Chen et al. beschrieben, voraus, dass die optische Achse der A-Platte parallel zur Transmissionsachse des benachbarten Polarisators verläuft.
Obwohl die Kompensatorkonstruktion aus dem ersten Beispiel eine deutliche Verbesserung gegenüber dem optischen Modulationssystem 200 aufweist, in dem gekreuzte Drahtgitterpolarisationseinrichtungen zum Einsatz kommen, wobei diese Drahtgittervorrichtungen eine relativ große Gitterteilung (p = 144 nm, ca. λ/4) aufweisen, kann die gleiche Kompensatorkonstruktion die Leistung auch dann verbessern, wenn Drahtgittervorrichtungen mit kleineren Gitterteilungen verwendet werden. Beispielsweise zeigt 8e die modellierte Leistung einer Vorrichtung mit kleinem Gitterabstand (p = 5,5 nm, ca. λ/100) mit Kompensation, wobei die Transmission bei einem Polarwinkel von 40° und einem Azimutwinkel von 45° auf 0,24 × 10^–3 im Vergleich zu dem Beispiel ohne Kompensation von 9,7 × 10^–3 gefallen ist, wie in 8b gezeigt.
Als zweites Beispiel wurde ein Kompensator zur Verwendung mit gekreuzten Drahtgitterpolarisationseinrichtungen konstruiert, der ebenfalls aus einer Kombination einer A-Platte und einer C-Platte besteht. In diesem Fall haben sowohl die A- als auch die C-Platte eine positive Doppelbrechung mit Retardierungen von 137 nm bzw. 160 nm. Im Unterschied zum Kompensator aus dem ersten Beispiel verläuft die optische Achse der A-Platte für diesen Kompensator parallel zur Transmissionsachse des benachbarten Polarisators. 8f zeigt die verbesserte Transmission, die sich aus dieser Kompensatorkonstruktion ergibt, die für alle polaren Winkel von bis zu 20 Grad unterhalb von 0,46 × 10^–3 liegt. Bei einem polaren Winkel von 40° und einem Azimutwinkel von 45° ist die Transmission allerdings auf 1,1 × 10^–3 reduziert. Zwar ist diese Konstruktion nicht so gut wie die Kompensatorkonstruktion aus dem ersten Beispiel, und zwar insbesondere oberhalb eines polaren Winkels von 20° (siehe 8d), aber der Lichtverlust ist im Vergleich zu den unkompensierten, gekreuzten Polarisatoren (siehe 8a) dennoch deutlich reduziert. Wie zuvor, kann dieser Kompensator in ein modifiziertes optisches Modulationssystem 200 aus 10 eingesetzt werden, und zwar als ein zusätzliches Element und als sekundärer Kompensator 265.
In 10, die ein modifiziertes optisches Modulationssystem 200 zeigt, ist der Kompensator zur Optimierung der Leistung durch die gekreuzten Drahtgitterpolarisationseinrichtungen (Vorpolarisationseinrichtung 230 und Polarisationsanalysator 270) vor dem Polarisationsanalysator 270 angeordnet und als sekundärer Kompensator 265 dargestellt. Derselbe Kompensator könnte alternativ dazu auch unmittelbar nach der Vorpolarisationseinrichtung 230 angeordnet sein, wie durch den alternativen, sekundären Kompensator 266 aus 10 gezeigt. Als weitere Alternative kann ein Teil eines Kompensators für diese gekreuzten Polarisatoren als sekundärer Kompensator 265 angeordnet sein, während ein anderer Teil gleichzeitig als alternativer, sekundärer Kompensator 266 bereitgestellt wird. Dies ist ein unwahrscheinliches Szenario, da dies die Komponentenzahl und die Anforderung an die Befestigungsvorrichtungen erhöht. Zudem müssen die sekundären Kompensatoren 265 (und/oder 266) in der optischen Bahn zwischen der Vorpolarisationseinrichtung 230 und dem Polarisationsanalysator 270 angeordnet sein. Das bedeutet, dass der sekundäre Kompensator 265 beispielsweise nicht hinter dem Polarisationsanalysator 270 angeordnet sein kann.
Der sekundäre Kompensator 265 kann auch in einem ungefalteten optischen System ohne Polarisationsstrahlenteiler verwendet werden, wie in 5c. In diesem Fall tritt das übertragene, polarisierte Licht aus der Vorpolarisationseinrichtung 230 aus, tritt durch einen Raumlichtmodulator 210 (der eine lichtdurchlässige LCD ist), einen sekundären Kompensator 265 und einen Polarisationsanalysator 270. Alternativ dazu kann der sekundäre Kompensator 265 in dem optischen Modulationssystem 200 auch vor dem Raumlichtmodulator 210 angeordnet werden. Wie in 5c gezeigt, sind die Vorpolarisationseinrichtung 230 und der Polarisationsanalysator 270 gekreuzt, so dass das optische Modulationssystem 200 im Nennzustand ausgeschaltet ist, wobei der Raumlichtmodulator 210 das Licht dreht, um es durch den Drahtgitterpolarisationsanalysator 270 zu übertragen und das System in den Einschaltzustand zu versetzen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Vorpolarisationseinrichtung 230 und der Polarisationsanalysator 270 für eine im Nennzustand offene Transmission (nicht gekreuzt) ausgerichtet werden können, wobei der Raumlichtmodulator 210 das Licht dreht, um das System in den Ausschaltzustand zu versetzen.
Die Verbesserung des Polarisationsansprechverhaltens ist sowohl für die Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler als auch für die Drahtgitterpolarisationseinrichtungen erzielbar. 8g zeigt die kombinierte Transmission (Produkt des übertragenen Lichts und des reflektierten Lichts) durch die Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler ohne Polarisationskompensation, wobei vorausgesetzt wird, dass der Raumlichtmodulator 210 durch einen perfekten Spiegel ersetzt wird. In diesem Fall fällt der eintreffende Strahl auf eine um 45° geneigte Fläche, wobei der Konus durch einen Azimutumfang von 0–180° und einen polaren Winkelumfang von ca. 0–40° (siehe 5a) beschrieben wird, und wobei das Licht innerhalb eines polaren Winkels von 0–15° für einen Strahl mit F/2,0 einfällt. Beispielsweise zeigt 8g eine kombinierte Transmission ohne Polarisationskompensation von 6,5 × 10^–2 bei einem polaren Winkel von 30° und einem Azimutwinkel von 45°.
Ein drittes Beispiel eines Kompensators wurde konstruiert, um den durch den Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 erzeugten Kontrast zu verbessern, wie in dem optischen Modulationssystem 200 aus 10 in Verbindung mit dem Raumlichtmodulator 210 (VA LCD) verwendet. In diesem Beispiel haben sowohl die A- als auch die C-Platte Retardierungen von 90 nm bzw. 320 nm (beide mit positiver Doppelbrechung). Innerhalb der Schichtenstruktur des Kompensators ist die A-Platte vorzugsweise näher am Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler angeordnet als die C-Platte, die näher an der LCD liegt. Die optische Achse der A-Platte ist parallel zur Transmissionsachse des benachbarten Polarisators angeordnet (rechtwinklig zu den Drähten). 8h zeigt, dass die kombinierten Transmissionen durch einen Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler in Verbindung mit diesem Kompensator auf 2,7 × 10^–2 im Vergleich zu 6,5 × 10^–2 bei einem polaren Winkel von 30° in 8g reduziert wurden. Sogar bei kleineren polaren Winkeln, wie 15° oder 20°, reduziert der Kompensator die Transmission (weniger Lichtverlust) um ungefähr das Doppelte im Vergleich zu dem unkompensierten Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler. Dieser Kompensator wird in dem modifizierten optischen Modulationssystem 200 aus 10 als Kompensator 260 gezeigt und ist zwischen dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 und dem Raumlichtmodulator 210 angeordnet. Dies ist die einzig akzeptable Lage für diesen Kompensator innerhalb des optischen Modulationssystems 200.
Ein viertes Beispiel eines Kompensators wurde konstruiert, um, wie bei dem letzten Ausführungsbeispiel, die durch den Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 erzeugte Transmission zu verbessern, wie in dem optischen Modulationssystem 200 aus 10 in Verbindung mit dem Raumlichtmodulator 210 (VA LCD) verwendet. In diesem Kompensator haben sowohl die A- als auch die C-Platte Retardierungen von 90 nm bzw. –200 nm (beide mit positiver und negativer Doppelbrechung). Der Kompensator aus 8i erzeugt eine geringere kombinierte Transmission von 3,5 × 10^–2 im Vergleich zu 6,5 × 10^–2 in 8g. Im Unterschied zum Kompensator aus dem dritten Beispiel verläuft die optische Achse der A-Platte für diesen Kompensator rechtwinklig zur Transmissionsachse des benachbarten Polarisators (parallel zu den Drähten) anstatt parallel zur Transmissionsachse (rechtwinklig zu den Drähten). Wie zuvor wird dieser Kompensator in dem optischen Modulationssystem 200 aus 10 als Kompensator 260 gezeigt.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich in der Technik keine Beschreibung der Konstruktion eines optischen Modulationssystems für eine Projektionsanzeige unter Verwendung sowohl von LCDs als auch von Drahtgittereinrichtungen findet, die zur Steigerung des Kontrasts mit Polarisationskompensatoren ausgerüstet sind. Die zur Verwendung mit den Drahtgittereinrichtungen konstruierten, bestehenden Beispielkompensatoren können konventionelle Strukturen und Kombinationen von Materialien aufweisen (wie Polycarbonat oder Acetat) und wurden zuvor für andere Polarisationsvorrichtungen beschrieben. Drahtgitterpolarisationseinrichtungen unterscheiden sich jedoch von den Einrichtungen nach dem Stand der Technik (beispielsweise Folienpolarisatoren und MacNeille-Prismen), weshalb sich die Konstruktion der zugehörigen, optimierten Kompensatoren nicht einfach aus den Kompensatorkonstruktionen nach dem Stand der Technik extrapolieren lässt.
Selbstverständlich können verschiedene Konstruktionen vergleichbare oder sogar bessere Leistungen wie die zuvor beschriebenen erzielen. Ein einzelner biaxialer Film kann zudem benutzt werden, um die Kombination aus A-Platte und C-Platte für diese exemplarischen Kompensatoren zu ersetzen. Die modellierten Kompensatoren können in umgekehrter Reihenfolge entworfen werden, so dass sich die C-Platte vor der A-Platte befindet, also nicht, wie in den vorausgehenden Beispielen, erst die A-Platte und dann die C-Platte. Wenn die Reihenfolge umgedreht wird, ändern sich die Doppelbrechungswerte mit hoher Wahrscheinlichkeit. Außerdem können der Kombination aus A- und C-Platte zusätzliche A- und/oder C-Platten und/oder biaxiale Filme für beliebige der exemplarischen Kompensatoren hinzugefügt werden.
Für die Hinzunahme weiterer optischer Komponenten gelten selbstverständlich die üblichen Überlegungen in Bezug auf die Befestigungselemente und Antireflexionsvergütungen dieser Kompensatoren. Diese Kompensatoren können derart konstruiert sein, dass ihre doppelbrechenden Filme zwischen zwei Glassubstraten angeordnet sind, wobei optisch übereinstimmende Klebstoffe oder Gele die Elemente zusammenhalten. In diesem Fall sollten alle Schnittstellen des Glases mit Luft antireflexionsvergütet sein. Alternativ hierzu können die Kompensatoren in die Drahtgitterpolarisationseinrichtungen (Vorpolarisationseinrichtung 230 und Polarisationsanalysator 270) integriert und direkt auf den Glassubstraten dieser Komponenten angeordnet sein. Dies reduziert die Teileanzahl, die Wechselwirkungen zwischen Glas- und Luftoberfläche und die Befestigungsproblematik. Der Kompensator sollte jedoch auf der flachen Glasoberfläche der Drahtgittereinrichtung und nicht auf der Oberfläche der Drahtgitterbeschichtung befestigt sein.
Obwohl die vorausgehenden Beispiele für eine einzelne Wellenlänge von 550 nm entworfen wurden, sei darauf hingewiesen, dass diese Beispiele auch für alle anderen Wellenlängen ebenso gut wie für 550 nm funktionieren, vorausgesetzt, das Material des Kompensators weist eine Dispersion auf, die mit der Wellenlänge übereinstimmt. Dies bedeutet, dass das Verhältnis von Retardierung zu Wellenlänge über alle sichtbaren Wellenlängen im Wesentlichen unverändert bleibt.
Es sei zudem darauf hingewiesen, dass das optische Modulationssystem 200 in verschiedenen Kombinationen konstruiert werden kann. Wie in 10 gezeigt, umfasst es die Vorpolarisationseinrichtung 230, den Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240, den Polarisationsanalysator 270, den Kompensator 260, den sekundären Kompensator 265 und alternativen, sekundären Kompensator 266. Das System könnte jedoch auch mit der Vorpolarisationseinrichtung 230, dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240, dem Polarisationsanalysator 270 und dem Kompensator 260 konstruiert werden, während der sekundäre Kompensator 265 entfällt. Ebenso könnte das System mit dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 und dem Kompensator 260 konstruiert werden, während die Vorpolarisationseinrichtung 230 und der Polarisationsanalysator 270 keine Drahtgittervorrichtungen sind und der sekundäre Kompensator entfällt. Als weitere Alternative könnte das System auch mit der Vorpolarisationseinrichtung 230, dem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240, dem Drahtgitter-Polarisations analysator 270 und dem sekundären Kompensator 265 konstruiert werden, während der Kompensator 260 entfällt. Weitere Kombinationen von Komponenten sind ebenfalls möglich.
Die Gesamtkontrastleistung des optischen Modulationssystems 200 aus 10 lässt sich nicht nur verbessern, indem man Kompensatoren bereitstellt, die die Leistung der gekreuzten Drahtgitterpolarisatoren oder der Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler verbessern, sondern die auch die Leistung der LCDs verbessern, wie durch den Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler gesehen. Schmidt et al. beschreiben nach dem Stand der Technik in US-A-5,576,854 durch Vergleich einen Kompensator, der für die VA LCD optimiert ist, die in Kombination mit einem MacNeille-Strahlenteiler arbeitet. Wie in US-A-5,576,854 beschrieben, wird ein Kompensator von 0,27 λ verwendet, wobei 0,25 λ zur Kompensation für das MacNeille-Prisma dienen und 0,02 λ für die Doppelbrechung in dem Gegenelektronensubstrat. Das Gegenelektronensubstrat ist gegenüber thermischen Gradienten empfindlich, die Spannungen in dem Substrat bewirken, die wiederum eine lokalisierte Doppelbrechung verursachen. Auch bei sorgfältiger Auswahl der Materialien für das Substratglas, etwa von SF-57 oder Quarzglas, wurde eine kleine Retardierung, beispielsweise von 0,02 λ, verwendet, um restliche Lichtverluste im Dunkelzustand aus der spannungsbedingten Doppelbrechung zu kompensieren. Wenn sich eine vertikal ausgerichtete LCD in einem nicht aktiven Zustand befindet, ohne dass eine Spannung anliegt, ist der Lichtverlust auf einer Achse klein. In der Praxis ist der Dunkelzustand jedoch ein Zustand, bei dem die Spannung nicht null ist, sondern als „Voff angegeben wird. Diese Spannung bewirkt, dass sich das Flüssigkristall nach unten neigt, wodurch sich der Lichtverlust deutlich erhöhen kann. Kompensatoren zur Korrektur dieses Effekts sind auch von anderen beschrieben worden, beispielweise in US-A-5,298,199 (Hirose, et al.).
Im Falle einer vertikal ausgerichteten LCD in Kombination mit einem Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler ist die in US-A-5,576,854 für das Prisma verwendete Retardierung von 0,25 λ nicht erforderlich. Die restliche Retardierung (ca. 11 nm) von 0,02 λ, die in Form einer A-Platte bereitgestellt wird, kann jedoch weiterhin nützlich sein, um eine spannungsbedingte Doppelbrechung innerhalb der VA LCD zu korrigieren, sogar mit Drahtgittervorrichtungen. Zudem kann ein für eine VA LCD optimierter Kondensator auch eine negative C-Platte umfassen, wenn er in empfindlichen optischen Systemen verwendet wird, einschließlich eines digitalen Kinosystems, das mit F/3,0 oder weniger betrieben wird. Somit umfassen bevor zugte Kompensatoren für reflektierende VA LCDs in Kombination mit Drahtgitterpolarisationseinrichtungen eine negative C-Platte und eine positive A-Platte. Die negative C-Platte hat vorzugsweise denselben Retardierungswert wie das Flüssigkristall (beispielsweise von +233 nm), aber mit entgegengesetztem Vorzeichen, um die Betrachtungswinkelabhängigkeit des Flüssigkristalls zu korrigieren. Die betrachtungswinkelabhängige Retardierung in dem Flüssigkristall beträgt typischerweise ca. 160–250 nm.
Als Beispiel zeigt 9a die Kontrastkonturenkurve für Licht, das von einer idealen VA LCD durch die gekreuzten Polarisationseinrichtungen im ausgeschalteten Zustand reflektiert wird. Dies entspricht dem „Eisenkreuzmuster" 320 aus 6a bei minimalem Licht entlang der optischen Achse (im Mittelpunkt des sphärischen Musters) und entlang der Richtungen, die parallel oder rechtwinklig zur Transmissionsachse der gekreuzten Polarisatoren verlaufen. Wie das Eisenkreuzmuster 320 zeigt, ist in den vier Quadranten ein gewisser Lichtverlust zu erwarten. 9b zeigt die Kontrastkonturenkurve für Licht, das von einer VA LCD mit einer Restretardierung von 10 nm von einer induzierten Doppelbrechung im Substrat reflektiert wird, was dem Basketballmuster 325 aus 6b entspricht. Wenn dieses Basketballmuster 325 auftritt, ist der Lichtverlust in dem Projektionssystem leider deutlich erhöht und der Kontrast reduziert. 9c zeigt die Kontrastkonturenkurve für eine VA LCD mit Kompensatoren (–233 nm C-Platte), die erfindungsgemäß entworfen und gemäß der vorausgehenden Erläuterung an den entsprechenden Stellen angeordnet wurden. Die 1000:1 Iso-Kontrastkurve erstreckt sich um mehr als 13° im polaren Winkel. Dieser Kompensator kann in das optische Modulationssystem 200 aus 10 unmittelbar vor der LCD 210 als Kompensator 260 eingesetzt werden.
In der Praxis sind die Kompensatoren für den Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 und die LCD 210 zwischen diesen beiden Komponenten nebeneinander angeordnet und können in einer gepackten Kompensatoreinrichtung kombiniert werden. Der exemplarische Kompensator für den Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240, der der 8h entspricht, verwendet eine Kombination einer A-Platte und einer C-Platte mit einer Retardierung von 90 nm und 320 nm. Im Vergleich hat die vertikal ausgerichtete LCD eine Retardierung von ca. 233 nm und bedarf zur Korrektur einer C-Platte mit einer Retardierung von –233 nm. Wenn man diese beiden C-Plattenkonstruktionen kombiniert, hat die verbleibende C-Platte eine Retardierung von nur ca. 87 nm. Die Aufhebung zwischen dem Kompensator und der LCD verringert somit die zusätzlich erforderliche Retardierung erheblich. Der kombinierte Kompensator 260 umfasst dann die 11 nm A-Platte für die VA LCD (Kompensierung von 0,02 λ), die 87 nm C-Platte und die 90 nm A-Platte für den Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler 240 in sequenzieller Anordnung, wobei die 11 nm A-Platte am nächsten zur LCD 210 angeordnet ist. Die beiden A-Platten können nicht einfach miteinander kombiniert werden, da die 11 nm A-Platte drehbar sein muss, während die 90 nm A-Platte eine feste Ausrichtung in Beziehung zu den Subwellenlängendrähten 250 hat. Somit wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzielung hoher Kontrastwerte durch Verwendung eines Drahtgitterpolarisationsstrahlenteilers mit einem Kompensator zur Minimierung von Lichtverlusten in dem ausgeschalteten (schwarzen) Pixelzustand für eine VA LCD bereitgestellt.
4 zeigt eine Kurve des kompensierten Kontrasts 310, die den Systemkontrast in Beziehung zur relativen Winkelbreite F# für ein optisches Modulationssystem setzt, das eine VA LCD, Drahtgitterpolarisationseinrichtungen, einen Drahtgitterpolarisationsstrahlenteiler und einen Kompensator umfasst, der die unerwünschte P-Polarisation bei der Rückkehr des modulierten Strahls korrigiert. In diesem Fall wird eine angepasste Version des Kompensators 260 verwendet. Obwohl die Verwendung eines Kompensators das Kontrastverhältnis CR bei höheren Werten von F# reduzieren kann, verbessert der Kompensator den Kontrast bei niedrigen Werten unterhalb von ca. F/4,0. Es sei darauf hingewiesen, dass der kompensierte Kontrast 310 nicht immer besser ist, weil Kompensatoren komplexe Strukturen darstellen können, die unter unerwünschten Reflexionen und Defekten leiden.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die in der vorliegenden Anmeldung entwickelten Konzepte zur Polarisationskompensation zur Optimierung der Polarisationsleistung von Drahtgitterpolarisationseinrichtungen auch im optischen Modulationssystem mit anderen Raumlichtmodulatoren als den vertikal ausgerichteten LCDs verwendbar wären. Beispielsweise könnte ein Raumlichtmodulator 210 auch eine 60 Grad Twisted-Nematic-LCD, ein PLZT-Modulator oder ein anderer Polarisationsdrehmodulator sein.

Claims

Displayvorrichtung (10) mit: a) einer Lichtquelle (15) zum Ausbilden eines Lichtstrahls; b) einer Vorpolarisierungseinrichtung (45) zum Polarisieren des Lichtstrahls für die Bereitstellung eines polarisierten Lichtstrahls; worin c) ein Rasterpolarisationsstahlenteiler (50) zum Empfangen des polarisierten Lichtstrahls, zum Durchlassen des polarisierten Lichtstrahls mit einer ersten Polarisation und zum Reflektieren des polarisierten Lichtstrahls mit einer zweiten Polarisation aus einem dielektrischen Substrat mit Teilwellenlängendrähten (250) besteht, die auf einer Fläche des Substrats angeordnet sind, wobei die Teilwellenlängendrähte (250) auf dem Substrat einem reflektierenden räumlichen Lichtmodulator (55) zugewandt sind; d) der reflektierende räumliche Lichtmodulator den polarisierten Lichtstrahl mit einer ersten Polarisation empfängt und ihn wahlweise moduliert, um Daten darauf zu kodieren, wodurch sowohl moduliertes Licht als auch nicht moduliertes Licht mit anderer Polarisation bereitgestellt wird; e) der reflektierende, räumliche Lichtmodulator (55) sowohl das modulierte Licht als auch das nicht modulierte Licht zum Rasterpolarisationsstrahlenteiler (50) zurückreflektiert; f) ein Polarisationskompensator (260), der in dem Abschnitt des optischen Strahlengangs angeordnet ist, der den Rasterpolarisationsstrahlenteiler und den reflektierenden räumlichen Modulator umfasst, die Polarisationszustände schräger und versetzter Lichtstrahlen des modulierten Lichts bedingt; g) der Rasterpolarisationsstrahlenteiler das kompensierte modulierte Licht vom nicht modulierten Licht reflektiert; h) ein Polarisationsanalysierer (60) das kompensierte modulierte Licht empfängt und das restliche nicht modulierte Licht aus dem modulierten Licht entfernt; und i) eine bildformende Optik (70) ein Bild aus dem modulierten Strahl formt.
Displayvorrichtung nach Anspruch 1, worin der Polarisationskompensator mindestens eine doppelbrechende Schicht umfasst, wobei diese Schichten mindestens eine der folgenden Schichten aufweisen: eine A-Plattenschicht, eine C-Plattenschicht oder eine biaxiale Schicht.
Displayvorrichtung nach Anspruch 2, worin die optische Achse der A-Platte im wesentlichen parallel zu den Teilwellenlängendrähten des Rasterpolarisationsstrahlenteilers verläuft.
Displayvorrichtung nach Anspruch 2, worin die optische Achse der A-Platte im wesentlichen rechtwinklig zu den Teilwellenlängendrähten des Rasterpolarisationsstrahlenteilers verläuft.
Displayvorrichtung nach Anspruch 1, worin der reflektierende räumliche Lichtmodulator eine reflektierende Flüssigkristallvorrichtung ist.
Displayvorrichtung nach Anspruch 5, worin die reflektierende Flüssigkristallvorrichtung einen vertikal ausgerichteten Aufbau hat.
Displayvorrichtung nach Anspruch 1, worin der Polarisationskompensator die Polarisationszustände der schrägen und versetzten Strahlen bezüglich des Rasterpolarisationsstrahlenteilers oder des reflektierenden räumlichen Lichtmodulators oder von beiden bedingt.