專利名稱：用于非偏振光的手性碟狀結構液晶相空間光調制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光掃描器或光束控制器領域，具體涉及到調制非偏振光，最終改變光所通過的方向路徑。
當前所用的許多電子器件在制造中用到了各種各樣的光源。在開發(fā)更新和更先進的電子器件中，所關心的是要能夠保持最少的功率需求和低的制造費用。實現(xiàn)這些結果的一種方法是利用掃描或光束控制技術，使一般由許多發(fā)光器件組成的光源發(fā)出的光最終改變其方向路徑。方向路徑的這種改變能由較少的發(fā)光器件因而是較小的有源面積來產生所需的，看來似乎由更多的發(fā)光器件或較大的有源面積所形成的效應。利用這種掃描或光束控制原理的電光器件已見于顯示系統(tǒng)中。此外，掃描或光束控制技術也可用于其它電光器件，例如目標跟蹤器件、武器系統(tǒng)、光通信器件、光計算器件、光存儲器件、印刷器件、像掃描器件，或類似器件。
人的視覺系統(tǒng)是一復雜系統(tǒng)，它有很大的本領去吸收有許多不同格式的大量信息，包括顯示器的信息。顯示器當前有各種不同的規(guī)格和形式，顯示多種類型的信息，從機場中公布調度信息的大型顯示屏到例如安裝在袖珍式計算機內的小型顯示屏。減小顯示器尺寸，特別是減小用于袖珍式電子器件例如袖珍式通信設備等的顯示器尺寸所關心的，是輸出的質量、最小所需功率的維持以及低的制造費用。
制作能使所用功率最少的電光系統(tǒng)的一種可供選擇的方法是引入掃描技術，由最少個數(shù)的有源發(fā)光器件來獲得所需結果。在減小利用掃描技術的顯示器的尺寸和保持清晰度質量方面，有關的是人的視覺系統(tǒng)的處理和集成信息的能力以及此視覺系統(tǒng)能進行上述工作的速度。人的視覺系統(tǒng)能夠處理信息的速度不會超過約60Hz。因此，在1/60秒內投影和掃描到顯示器上不同位置的圖像可以為觀察者的眼作為一集成圖像觀察到。舉例來說，在60Hz頻率下使圖像“A”在顯示器中移動到六個不同位置時，觀察者將看到由六個“A”組合的集成圖像。要是同時對此圖像內容進行調制，例如六個字母“A”、“B”、“C”、“E”與“F”分別和依序地于60Hz速度下移至六個不同位置時的圖像，則觀察者將看到由這六個字母組合的集成圖像。這一過程周知為時分成像法(time-multiplexed imagery)，通過采用掃描器或光束控制器，可以用于顯示工業(yè)領域，更確切地說，可以用于開發(fā)高清晰度的微型顯示器。
光掃描或光束控制器件當前不僅用于顯示器，還用于其它電子器件例如目標跟蹤器件、武器系統(tǒng)、光通信器件、光計算器件、光存儲器件、印刷器件、圖像掃描器件或類似器件。這類掃描器件可以多種形式存在，最普通的是裝配有反射鏡的機電型掃描器，例如電流計式掃描器與多角鏡掃描器。這類機電型掃描器一般有較大的尺寸，因此不適合于小型、輕量、以低功率消耗運轉、從本質上說是便攜式的顯示器件。此外，機械型掃描器復雜，因而生產費用高，且在大多數(shù)情形下在工作時要耗用很大的功率。
許多當前的掃描器件，特別是那些應用了手性碟狀結構(chiralsmectic)液晶材料的掃描器件，只能控制圓偏振光。在這些掃描器件中，首先必須采用偏振器將非偏振光變?yōu)榫€偏振光。此時，光的100％入射到偏振器上。在偏振器與調制器之間設置四分之一波片，由此使線偏振光變成圓偏振光。工作中，約50％的光和/或能量透過偏振器和此四分之一波片，而其余約50％的光則為此偏振器吸收。這樣的結構允許圓偏振光進入調制器而進行調相。入射的非偏振光必須首先線性偏振化，然后在進入調制器之前再圓偏振化，由于需從光學上準直線偏振器、四分之一波片以及手性碟狀結構液晶相空間光調制器，就會增加制造費用與困難。
為此，需要有小型的掃描器件來掃描即控制所通過的100％的非偏振光，以用于電光系統(tǒng)中，例如安裝到下述器件內的電光系統(tǒng)中微型顯示器、目標跟蹤器件、武器系統(tǒng)、光通信器件、光計算器件、光存儲器件、印刷器件、圖像掃描器件、或類似器件。
為此，極其希望能提供這樣的掃描裝置，它所利用的液晶相空間光調制器包括有反射元件，例如完善的反射鏡作為它的一個部件用于調相，由此得以掃描因而控制著所通過的100％的非偏振光。
本發(fā)明的目的之一在于提供新的和改進了的掃描系統(tǒng)，它所利用到的液晶相空間光調制器裝配有能從空間上調制入射于其上的100％非偏振光的反射元件。
本發(fā)明的另一目的在于提供這樣一種包括有反射元件的手性碟狀結構液晶相空間光調制器，它用于電光系統(tǒng)中，這類電光系統(tǒng)則一般用于顯示器、目標跟蹤器件、武器系統(tǒng)、光通信器件、光計算器件、光存儲器件、打印器件、圖像掃描器件，或類似器件。
本發(fā)明的又一目的在于提供這樣一種包括有反射元件的手性碟狀結構液晶相空間光調制器，它用于新型和改進了的顯示系統(tǒng)中以提高顯示清晰度，從而可以使這樣的掃描器安裝到微型顯示器中。
本發(fā)明的再一個目的在于提供借助利用手性碟狀結構液晶相空間光調制器來掃描100％由像源發(fā)出的非偏振光的方法，這種光調制器包括反射式元件和外加的激勵源，可以安裝到微型顯示系統(tǒng)中同時保持所觀察圖像清晰度的質量。
上述問題和其它的問題以及上述目的和其它的目的已由用于非偏振光的手性碟狀結構液晶相空間光調制器或調制系統(tǒng)予以解決和加以實現(xiàn)。這種調制器包括手性碟狀結構液晶相空間調制元件、反射元件和驅動/控制電路，它計劃用來安裝到還包括光源、驅動/控制電路和供選擇的光學元件的電光系統(tǒng)中。
在最佳實施形式中，這種相空間光調制器利用了一掃描元件，它有裝附于其上、構成其一部分或從空間上相對其定位的反射元件，例如完善的反射鏡或類似裝置。工作中，非偏振光進入本發(fā)明的調制器并在掃描元件內經歷調相，由此改變所通過的光的傳播方向。此調制器能以透射方式或反射方式工作。當從掃描元件出射時，此光分成兩束，以兩條獨立的路徑傳播。一束光入射到反射元件上，而第二束光則以一般離開反射元件的方向傳播。作為調制器一部分所提供的反射元件相對于掃描元件的輸出面按特定角度定位，此角度取決于工作方式和光源的位置。入射到反射元件上已調制的光束為反射面反射，在傳播方向上發(fā)生第二次改變。此光一旦被反射后，即依平行于從掃描元件出射而未入射到反射元件上的已調制光束的方向路徑傳播。這種掃描與反射允許基本上是100％的入射到調制元件上的光能從空間上加以調制并依一條方向路徑傳播。
上述調制器或掃描器經制造成能從空間上對從圖像或光源發(fā)出的光作基本上是100％的調相，這種光源一般是由發(fā)光器件〔最普通的是由發(fā)光二極管或垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)〕的陣列組成，由此使光的方向路徑發(fā)生最終變化，而這在顯示系統(tǒng)中可以作為清晰度提高了的集成圖像觀察到。需知也可采用其它的發(fā)生光或圖像的器件，例如有機發(fā)光二極管(LED)、陰極射線管(CRT)、場發(fā)射顯示器(FED)、電致發(fā)光顯示器、等離子顯示器、液晶顯示器(LCD)等，但為簡明起見，在此整個說明書中將采用概括性名詞“發(fā)光器件”。
一般，本發(fā)明的手性碟狀結構液晶相空間光調制器(以后稱為液晶調制器或掃描器)能對像源發(fā)射出光的約100％進行調相，由此控制所通過的光的方向路徑。這是根據(jù)下述原理實現(xiàn)的，組成了掃描元件中所含手性碟狀結構液晶材料的，這多個分子的結構組織不是剛性的，即是說這些分子在外部激勵的直接影響下易于重新定向。外部激勵對液晶材料作用的結果使此材料中的分子結構重新定向，促致通過其中的光的相位改變。簡言之，這種相變乃是外部激勵(在本發(fā)明中即所加電壓)的函數(shù)，雖然不必是線性函數(shù)。應知施加到液晶材料上的不等量的電壓會產生不等的調相結果，由此改變所通過的光的傳播方向或角度。
在某些液晶掃描器或光束控制器的工作中，關心的是因標準偏振器吸收了50％能量的能量損失。在絕大多數(shù)情形下，光在進入液晶掃描器之前必須線性偏振化，以使全部的光調控到同一方向。本發(fā)明的手性碟狀結構液晶掃描器經制造成允許通過基本上是100％的所通的非偏振光。
在本發(fā)明的手性碟狀結構液晶掃描器中，是對掃描器施加電壓以改變在液晶元件中所含手性碟狀結構液晶材料中的分子取向。分子的這種重新定向改變了光的傳播方向，并在為反射元件反射時改變了從掃描器出射的一部分光的方向。在把所述調制器加入到顯示系統(tǒng)的情形中，在觀察者看來，由于所通過的光改變了方向，這種改變便在所產生的最終集成圖像的填充系數(shù)和/或像素數(shù)之中轉換成可以看得見的一種變化。采用了疊層式的液晶元件取向，由此可從空間上調制基本上是100％所產生的光波而改變其方向，同時形成了光的最終路徑和/或觀察者所能看見的最終集成顯示圖像。在顯示器中，此最終的集成圖像表現(xiàn)上呈現(xiàn)出較高的清晰度和較大的填充系數(shù)，但像源中的有源像素數(shù)仍舊相同。
在最佳的實施形式中，這種手性碟狀結構液晶掃描器制成為單一的液晶元件，上面裝附有或集成有、或在空間位置上與之相分開地設置為反射元件。具體地說，此反射元件相對于光所出射的掃描元件的表面以角度φ定向。上述手性碟狀結構液晶掃描器設置于微型顯示系統(tǒng)中，按透射方式或反射方式工作。當依透射方式工作時，液晶元件定位成使發(fā)光器件陣列所產生的光直接通過調制器并被掃描，由此光分裂成兩束。在這兩束光之一進一步從反射元件上反射后，通過調相使光最終取單一方向路徑。當調制器依反射方式工作時，液晶元件形成于反射元件的表面上或者是使其具有反射性質，同時定位成使陣列產生的光通過掃描器兩次。工作期間，掃描器定位成使得發(fā)光器件陣列發(fā)生的光進到液晶元件內并從經同一表面出射。光于是就這樣地被掃描，而使出射的光分成兩束，其中一束經調相被反射而形成最終光程或于顯示器中形成集成圖像。
調制器通過掃描光源，一般通過掃描子像素或器件、像素或器件組和/或子陣列，經調相而產生最終的光程。這種掃描或光束控制用來從空間上調相和調制光的傳播方向。光源中的實際像素或器件數(shù)仍舊相同，而且未采用另設的有源區(qū)、器件或像素等，但在顯示器中，所生成的最終集成圖像的清晰度和填充系數(shù)則通過掃描過程顯著增加，而當裝配到其它利用光束控制的器件中時，對所通過的光進行調相可以減少光源的有源區(qū)域。
本發(fā)明的新穎特點與可信特征列述于權利要求書中。本發(fā)明本身及它的其它特點與優(yōu)點則可結合附圖參考后面的詳細說明獲得最好的理解，附圖中

圖1是上面裝附有反射元件的本發(fā)明的透射式手性碟狀結構液晶元件結構簡化的橫剖圖2是具有分開設置的反射元件的本發(fā)明的反射式手性碟狀結構液晶元件結構簡化的橫剖圖；圖3、4與5是本發(fā)明的透射式手性碟狀結構液晶調制器的三種構型的簡化的示意圖，示明所通過的光的空間調制和最終的傳播方向；圖6、7與8是本發(fā)明的反射式手性碟狀結構液晶調制器的三種構型的簡化的示意圖，示明所通過的光的空間調制和最終的傳播方向；圖9是裝配有本發(fā)明液晶調制器的微型圖像顯示器的簡化的示意圖；圖10、11與12分別是采用了本發(fā)明的液晶調制器的圖像顯示設備的前視圖、側視圖與頂視圖；而圖13是應用了本發(fā)明的手性碟狀結構液晶調制器的圖10中設備的放大4倍的側視圖，示明了通過此設備的光的傳播方向。
在下面的描述過程中，在示明本發(fā)明的不同圖中是以相同的標號指示相同的部件。本發(fā)明的基礎在于利用一維或二維陣列中形成的各個可尋址的可見光發(fā)射器件，結合上驅動/控制電路系統(tǒng)和構成本發(fā)明的發(fā)光器件、光源或像源的光學元件。為了在給定數(shù)目的發(fā)光器件下來提高清晰度或是為了減少實現(xiàn)所需結果而需的發(fā)光器件數(shù)，采用了借助手性碟狀結構液晶相空間光調制器的掃描技術，這種調制器后面也稱作為手性碟狀結構液晶掃描器。在顯示系統(tǒng)中，發(fā)光器件是用作像源，掃描發(fā)光器件陣列的部分或元件而形成最終集成圖像，在此，光通過液晶元件，隨之反射一半所通過的發(fā)射光，從而于空間上調制這部分發(fā)出的光的相位，使得所有的光依一致方向傳播。上述調相改變了傳播方向，并在實際上是把光“移動”到顯示器的另一部分上。這種掃描作用給予觀察者看到了一種高清晰度的最終集成圖像。內行的人當知，這樣的掃描或調制可由為產生整版顯示所需顯示器件數(shù)少得多的顯示器件來形成整版顯示。最終的集成圖像可作為直接觀察的圖像、微型的虛像或投影像而觀察到。此外，應知本發(fā)明的調制器是計劃用于其它未安裝顯示器的情形，即用于調制從光源發(fā)射出的光的相位，一般用在目標跟蹤器件、武器系統(tǒng)、光通信器件、光計算器件、光存儲器件、印刷器件、圖像掃描器件，或類似器件中。
本發(fā)明所用的掃描方法是以調相原理為基礎，由此來改變發(fā)光器件陣列中若干部分或若干元件所發(fā)出的光的方向路徑。在利用掃描技術產生最終集成圖像中或是在最終改變的光程中，關系到因偏振性質造成的能或光的損耗。一般，當前所用的手性碟狀結構液晶掃描器只能掃描或控制圓偏振光，因而必須在使光通過此掃描器之前，使用偏振器將非偏振光改變?yōu)榫€偏振光，再使用四分之一波片使其圓偏振化。于是出現(xiàn)了只有入射到偏振器和/或掃描器上的光的約50％通過，而剩下的約為50％的光則為偏振器吸收。
在本發(fā)明的手性碟狀結構液晶調制器最佳實施形式中，能使基本上是100％的光通過而加以控制。這種手性碟狀結構液晶調制器包括調相元件，更確切地說是液晶元件，上面裝附有、或集成有、或相分開地設置有反射式元件，它相對于光所出射的液晶元件輸出面依角度Φ定向。對通過液晶元件的光進行調相再結合該光中反射部分的光，就可沿定向路徑控制基本上100％的非偏振光。
在這一最佳實施形式中，調相元件或更確切地說即液晶元件是由許多液晶掃描器像素組成，對它們施加了外部激勵，由此改變元件中所含液晶材料的分子取向而使所通過的光調相。具體地說，工作時，此手性碟狀結構液晶元件的液晶像素起到可變方向的半波延時器的作用。由大致呈小錐形的光源所發(fā)出的入射光的調相是通過在與光傳播方向垂直的平面中，轉動組成液晶像素的液晶分子的光軸來實現(xiàn)。非偏振光可以想像為不具有相位關聯(lián)的左旋與右旋偏振光疊加的結果。在透射過液晶元件時，圓偏振入射光進行著手性的改變，經歷相反符號的調相，這樣就接受了兩倍于液晶元件的像素內所限定的分子旋轉。于是非偏振光在從延時器出射時分束到相對入射方向對稱的兩個方向上。液晶元件內所含各液晶分子的光軸取向均由所施加的電壓控制。由這多個液晶分子所確定的液晶像素或光束控制件在液晶元件內被安排作為各個受控的元件，而通過調節(jié)各個元件的相位來實現(xiàn)光束的偏轉。選擇驅動系統(tǒng)使這多個像素的相位函數(shù)表示近似于閃耀光柵(blazed grating)的階梯式陣列。這樣形成的調相允許具有最少數(shù)的像素或器件和低填充系數(shù)的像源或光源，它同包括液晶元件和反射元件的液晶調制器結合，在顯示器中產生出看來似乎由數(shù)量多得多的像素構成的集成圖像，或者可把它用于目標跟蹤器件、光通信、計算或存儲器件、印刷器件、圖像掃描器件中，產生最終改變光的方向路徑。
如前所述，本申請的目的在于提供計劃用于微型顯示系統(tǒng)或電光系統(tǒng)中的手性碟狀結構液晶調制器或掃描器，它是由發(fā)光器件、調制器、驅動/控制電路和多個光學元件組成。在其最佳實施形式中是利用液晶調制器對上述發(fā)光器件發(fā)出的光進行調相，以使前述系統(tǒng)能保持小的尺寸而可安裝到微型顯示系統(tǒng)或便攜式電子設備中，例如武器系統(tǒng)或跟蹤器件、光通信器件、計算與存儲器件、打印器件、圖像掃描器件或類似器件中。應知在此可以采用各種光源或圖像發(fā)生裝置，例如有機或無機的發(fā)光二極管(LED)、垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、陰極射線管(CRT)、場發(fā)射顯示器(FED)、電致發(fā)光顯示器、等離子顯示器、液晶顯示器(LCD)等，它們可以取二維陣列形式。還應認識到，當利用上述另外形式的光源或像源時，除前述最佳實施形式中所需的光學器件外可能還需另采用濾光片和/或光學元件。為簡明起見，本說明書中將普遍使用概括性名詞“發(fā)光器件”。
現(xiàn)在參看附圖，其中公開了本發(fā)明的手性碟狀結構液晶調制器或掃描器或器件。應知本發(fā)明的液晶調制器的最佳實施形式一般包括液晶元件和反射元件，后者例如是相對于此液晶元件的光發(fā)射面依角度Φ定向設置的完美的反射鏡。可以按調制器或掃描器形式使用的液晶元件的具體結構將參考圖1和2進行說明，這兩個圖以簡化的局部橫剖圖分別示明了透射式的和反射式的液晶調制器，它們各有液晶元件和反射元件。
具體參看圖1，其中示明了由光學透明材料構成的透射式液晶調制器10的簡化與放大的局部橫剖圖。透射式液晶調制器10起到半波片的作用，更具體地說，可以用作0.5、1.5、2.5等的波延遲器，由此使通過的光按半波量級產生相位延遲。光學透明材料的應用使得在把透射式液晶調制器10設置于顯示器或電光系統(tǒng)中時，能使發(fā)光器件發(fā)出的光直接通過液晶調制器10。透射式液晶調制器10由透射式液晶元件12和反射元件14構成。透射式液晶元件12一般制成疊層形式，包括由任何方便的光學透明材料例如玻璃形成的基片16。鄰接基片16的外邊緣形成有許多控制終端(未示明)，它們同多層導電材料(即將討論)形成的許多控制電路電連。在基片16的上表面上形成有第一帶圖案的導電材料層17，層17由光學透明材料例如氧化銦錫(ITO)制成，可使入射到其上的光通過并確定出光學透明的接點。在層17的上表面上則設有第一分子定向或取向層18。定向層18用來使組成液晶材料(即將討論)的分子恰當?shù)囟ㄎ缓腿∠?，使得在沒有外部激勵例如電壓作用于液晶元件12之上時，液晶元件12中的分子能沿非尋常光軸定向。確切地說，定向層18同液晶元件12的第二定向層(即將討論)相結合，以幫助本發(fā)明的調制器10的液晶元件12中的分子定向。
用任何適當?shù)姆绞?，例如用粘合劑，化學鍵合、生長與腐蝕層等將大致呈管狀的玻璃隔件19固定地附著于定向層18的上表面上。自然應知管狀玻璃隔件19是可以由種種其它實施形式例如取玻璃珠狀或其它類似形式的，上述結構只用于說明目的。管狀玻璃隔件19限定出一個貫穿的內部孔口21，其大小足以包圍住透明電極圖案化所形成的陣列。管狀玻璃隔件19中孔口21界定出空腔，它具有與定向層18的上表面相結合的在內部相對的平面，并被填充以液晶材料20例如手性碟狀結構液晶材料的連續(xù)層。
玻璃板224具有第二層導電材料23以進一步確定出第二電接觸點。應知第二導電材料層23也可以圖案化，構型成與導電材料層17正交，確定出液晶像素的二維陣列。層23形成于玻璃板24的下表面上而確定出第二電接觸點，它同透明導電材料層17和液晶材料20相結合，形成由上述光學透明接點和第二接點所確定的液晶像素的完整陣列。在這一最佳的透射實施形式中，第二接點是由光學透明材料例如氧化銦錫或類似材料形成。
導電材料層17與23由導線連接到與管狀玻璃隔件19的外邊緣相鄰的鍵合壓焊區(qū)(未示明)上。此鍵合壓焊區(qū)然后再由任何方便的裝置，例如引線鍵合，管狀玻璃隔件19邊緣中的饋通式連接件(未示明)電連接基片16上的鍵合壓焊區(qū)?？蓪η笆鲦I合壓焊區(qū)施加公用電勢，例如接地的或某種固定的電壓，它同施加到前所述接點上的各種電勢相配合，激活并給液晶材料20施加電壓。在圖案化的導電材料層23的下表面上形成有第二定向層22。液晶材料20則包含在由定向層18的上表面、管狀玻璃隔件19的內孔口21以及定向層22的下表面所限定的空腔內。內行的人可知，定向層18與22能夠形成于分離開的或不相連的層上，組裝時這兩個層是位于管狀玻璃隔件19的相對側上并被象三明治一樣夾在其余的層中。應知雖然在此公開的是兩個獨立的定向層，但根據(jù)本申請，也可采用只有單一定向層的另一種制造方法。
用多個驅動與控制電路(未示明)來完成此透射式液晶元件12，此元件包括一液晶像素陣列，每個像素都可通過連接片獨立地尋址。上述驅動與控制電路具有通過多個連接片或鍵合壓焊區(qū)連接液晶掃描器像素陣列的數(shù)據(jù)輸入端與控制信號輸出端，用來激活和控制各個液晶掃描器的像素和對其施加電勢或電壓。在形成二維陣列時，液晶元件12的電接觸點是按行與列形成，而尋址與開關電路(未示明)則包括行與列的總線和與接點耦合的電子開關，使得各個接點、像素能夠逐一訪問。此行與列的總線電連著鄰接玻璃24邊緣所形成的那多個連接片，用來與各個像素進行外部通信(尋址與控制)。為使液晶材料20的特定部分中的分子結構重新定向，必須相對此特定的像素或特定部分在上、下接點間施加由外部激勵源例如外部電源提供的電勢或電壓。在沒有施加電壓時，液晶材料20通常在中性狀態(tài)下，使分子的取向或分子的長軸沿著非尋常光軸(Ne)，即為光通過時出現(xiàn)非尋常折射率且為任何光通過時不會發(fā)生調相的軸線。雖然這一實施形式是用行與列的驅動器件說明，但應知在另一種實施形式中可將薄膜晶體管作為有源驅動器件設在各液晶掃描器像素之后。此外應知本發(fā)明的手性碟狀結構液晶元件12可以制造成為非像素式的、含單一像素的、或取一維或是二維陣列形式的多個像素。
如圖1所示，液晶調制器10中的最后元件是反射式元件14。反射式元件14通常包括在其上形成有至少由一層反射材料組成反射層25的基片?？捎糜诒景l(fā)明中的反射材料包括，但不限于鋁、金、介電材料或類似材料。反射元件14相對于液晶元件12的光輸出面26按角度Φ取向。更具體地說，反射元件14定位成可使從液晶元件12的光輸出面26沿朝反射元件14的方向傳播的光的反射表面25反射，由此便改變了光的方向路徑。應知反射元件14可以裝附到液晶元件12上，集成到液晶元件12上或相對于液晶元件12分開設置。
再來參看圖2，其中以簡化橫剖圖所示本發(fā)明的反射式手性碟狀結構液晶調制器10′，包括反射式液晶元件12′以及與其分開設置的反射元件14′。要注意，所有與圖1中所示部件類似的部件是用相似的標號標明，并于標號的在上角加一撇“′”來表明不同的實施形式。反射式液晶調制器10′起到四分之一波片，更確切地說起到0.25、1.25、2.25等波延遲器的作用，這樣就使所通過的光在通過液晶材料(即將討論)按四分之一波長的量級延遲。其中，光通過液晶材料然后反射(即將討論)回通過液晶材料，總的延遲為半波長的量級。反射式液晶元件12′類似于前述的透射式液晶元件12，不同的是有某種顯示反射性質的元件制作成元件12′的一部分。具體參看圖2，其中所示的反射式液晶元件12′包括光學透明基片16’、光學透明導電材料層17′與23′、分子定向層18′與22′、玻璃隔件19′、液晶材料20′與玻璃板24′。液晶元件12′一般依疊層方式制作，與圖1透射式液晶元件12相同。與透射式液晶元件12相同，工作中給元件12′施加電壓，激活液晶材料20′，根據(jù)所加電壓調制通過的光的相位。
在這一最佳實施形式中，安裝有如圖2所示的兩個透明導電材料層17′與23′，同時將一獨立的反射層27設于液晶疊層件之中，使得通過液晶材料20′的光反射回通過液晶材料20′而在此單個液晶元件12′內經兩次調相。反射層27可由任何方便的反射材料例如鋁或類似材料制成。在另一實施形式中，這兩個導電材料層中之一例如層23′是由反射材料例如鋁制成，這一接點本身用來反射入射到其上的光因而不再需另設反射層。在這種實施形式下，此反射導電材料層可以由鋁或任何反射金屬形成，但要求這種金屬便于圖案化或便于定位到玻璃板24′的表面上，此反射材料層將反射入射到其上的光，使其反射回通過液晶材料20′，而在單個液晶元件12′內經第二次調相。
液晶調制器10′包括有圖2所示的反射元件14′，其結構與前述透射式液晶調制器10中的反射元件14類似。反射無件14′相對于液晶元件12′的光輸出面26′按角度Φ定向。更具體地說，反射式元件14′定位成能使從液晶元件12′中光輸出面26′上出射的依定向路徑朝向反射元件14′的光能被反射元件14′反射，由此而改變光的方向路徑。如圖2所示，反射式元件14′是與液晶元件12′相分開設置。應知反射式元件14′也可裝附到液晶元件12′上或集成到液晶元件12′上。
在又一實施形式(未示明)中，可將反射式液晶元件形成于硅片上，而在此硅片上使導電材料直接圖案化。這種液晶元件基本上是依據(jù)上面所公開的有關反射式液晶元件12′的實施形式形成的，其中采用了反射元件或反射層來取代或結合導電材料層。在這種實施形式中，是在其中已形成有驅動電路的硅片的上表面上直接形成多個金屬片而集成了驅動電路與掃描器。
本發(fā)明的液晶相空間光調制器10以及10′如前所述是分別用來以透射或以反射方式工作的。參看圖3、4與5，其中所示為安裝于可見電光系統(tǒng)(未示明)內的透射式液晶調制器10的不同構型。應知調制器10中各個部件適當?shù)臉嬓团c定向取決于此電光系統(tǒng)內的像源或光源相對于調制器10的定位。
具體參看圖3，其中給出了電光系統(tǒng)例如顯示系統(tǒng)中各個部件的定向和/或構型的示意圖，具體包括有光源30、液晶元件12和反射元件14。光源30通常包括多個發(fā)光器件，同時定向成使得所發(fā)出的光將以角度Φ入射到透射式液晶元件12的光輸入面28上，并在方向箭頭所示的相空間調制下通過其中。調制器10的反射元件14定位成離開光輸出面26一角度Φ，平行于從光源30發(fā)出的光入射到液晶元件12的光程。工作時給液晶元件12施加一電壓，由此從空間上調制光所通過的路徑。
如圖3中虛線所示，當未將電壓加到元件12上時，入射到其上的光的未改變的傳播路徑將沿直徑通過。當把電壓施加到此調制器上時，所通過的光在空間上被調制而從液晶元件12出射分裂成圖3中方向箭頭所示的兩個獨立光束。從調制器出射的一束光為右旋圓偏振光而另一束為左旋圓偏振光。每束光各依據(jù)此偏振結果依特定方向路徑傳播。第一束光以相對于進入的光的未改變的傳播路徑成正角α的方向傳播，第二束光則以相對于未改變的傳播路徑成負角α的方向傳播。如圖所示，此第一束光以朝反射元件14的方向路徑傳播。這束光依角度α入射到反射元件上，并由反射元件14依相等的反射角α反射，由此而以與第二束光相同的方向路徑傳播。應知在工作中，有多個發(fā)光器件將光發(fā)射到元件12的光輸入面28上，由此從空間上調制入射到其上的光，并在用于顯示系統(tǒng)中時形成看起來是由遠比光源中像素數(shù)為多的像素組成的最終集成圖象。
下面參看圖4，其中示明了本發(fā)明的透射式液晶調制器10的另一種構型。具體示明于圖中的液晶元件12在上面安裝有或集成有反射元件14。反射元件14定向成基本上垂直于液晶元件12的光輸出面26。如前所述，光源30定位成使發(fā)出的光與反射元件14的取向平行。當通過的光徑空間調制同時有部分光為反射元件14所反射時，所有的光便依單一方向路徑傳播。
現(xiàn)在參看圖5，其中示明了本發(fā)明的透射式液晶調制器10的又一種構型。具體示出于圖中的液晶元件12具有與其分開設置的反射元件14。反射元件14相對元件12成廣角，這就要求入射到其上的光依廣角的方向路徑傳播。如方向箭頭所示，由光源30發(fā)出的光通過液晶元件12分成朝向反射元件14傳播的第一方向光束和朝向顯示系統(tǒng)輸出端傳播的第二方向光束。第一方向光束由反射元件14依等于入射角的角度反射，再沿等于第一方向光束的方向路徑朝向顯示系統(tǒng)的輸出端。液晶調制器10的應用雖可使光源30發(fā)出的光基本上是100％地經空間調制，但應認識到有小百分比的光或能將因反射、衍射或散射損失。
如前所述，本發(fā)明的液晶調制器10當液晶元件12取具有反射性質構型時可依反射方式工作?，F(xiàn)來參看圖6、7與8，其中所示不同構型的本發(fā)明的反射式液晶調制器10具有與其分開設置的反射元件14′。在此仍需指出，此種反射式液晶調制器的所有與透射式液晶調制器的相似的部件均以相似的標號標明，但在標號在上角加“′”以指明不同的實施形式。反射式液晶元件10′以類似上述透射式液晶調制器10的方式工作，例外的是在這里的實施形式中，從光源30′發(fā)出的光是通過液晶元件12′的同一光輸入/輸出面29進出。具體參看圖6，其中示明了本發(fā)明液晶調制器10′的一種構型。調制器10′含反射式液晶元件12′和反射元件14′。如圖所示，光源30′在一顯示系統(tǒng)(未示明)中定位成，使由像源發(fā)出的光同液晶元件12′的光輸入/輸出面29構成一入射角Φ′。如圖中虛線所示，當沒有電壓加到元件12′上時，投射到液晶元件12′上并通過元件12′反射回的光是依圖示的方向路徑傳播。當加有電壓時，進入并通過元件12′反射回的光經空間調相并從元件12′出射，分成圖6中方向箭頭所示的兩股獨立光束。各束光依特定的方向路徑傳播。第一束光以相對于進入的光的未改變的傳輸路徑成負角α′的方向傳播，第二束光則以相對于該路徑成正角α′的方向傳播。如圖所示，第一束光依朝向反射元件14′的方向路徑傳播，這束光以角度α′投射到反射元件14′上并為其以相等角度α′反射回，而以與第二束光相同的方向路徑傳播。
圖7與8中示明了調制器10′的相似構型。如圖7所示，反射元件14′是以廣角裝附于液晶元件12′之上。在圖8中，反射元件14′是以相對于液晶元件12′的光輸入/輸出面29成90°的角裝附到液晶元件12′之上的。如圖所示，在通過液晶元件12′后發(fā)射出兩束光，第一束投射到反射元件14′上，在此以相同于第二束發(fā)出的光的方向路徑反射回。
應知本發(fā)明的液晶相位空間光調制器是計劃用于需要控制非偏振光的電光系統(tǒng)中。更具體地說，這種液晶相空間調制器是計劃用于微型顯示系統(tǒng)、目標跟蹤器件、武器系統(tǒng)、光通信器件、光計算器件、光存儲器件、印刷器件、圖像掃描器件或類似器件。在顯示系統(tǒng)中使用和工作時，這一由像源或發(fā)光器件、相空間調制器、驅動/控制電路和各種光學元件組成的系統(tǒng)便產生出最終的集成圖像。這樣的圖像則小到難以由人眼確切地看清(全面了解)，而一般要求至少放大4倍以便獲得舒適而完整的觀察，可以與本發(fā)明的手性碟狀結構液晶相空間光調制器相結合而組裝到顯示系統(tǒng)中的幾個光學放大系統(tǒng)例子示明于下述的圖9至13中。
參看圖9，其中以簡化的示意圖示明一微型圖象顯示器40。此顯示器40由一機殼42限定，包括一用來提供圖像的圖像發(fā)生設備41。由光學元件44所代表的光學系統(tǒng)相對于顯示器40的圖像發(fā)生設備41分開設置。與前述反射式液晶調制器10′大致相似的反射式相空間光調制器45則定位成，能使圖像發(fā)生設備41發(fā)出的光經空間調制，而產生一可由與孔徑48相分開的觀察者的眼47看清的高清晰度的最終集成圖像。應知可把與前述調制器10大致相似的任一種透射式液晶調制器用于微型圖像顯示器40中。
工作中，圖像發(fā)生設備41所發(fā)出的光通過光學元件44與調制器45。將不等的外部電壓施加到調制器45，由此使圖像發(fā)生設備41的多個發(fā)光器件發(fā)出的光產生掃描效應。由觀察者的眼47通過孔徑48所看到的最終集成圖像表現(xiàn)上具有較大的像素數(shù)和增大了的充填系數(shù)，但實際上圖像發(fā)生設備41中的像素數(shù)仍舊相同。
由與圖像發(fā)生設備41以分隔開的關系安裝的多個示意性表明的光學元件44接收來自此設備41的圖像并將其依預定的倍數(shù)放大。自然應該認識到，這樣的放大和/或校正能夠由任意個數(shù)和任意類型的光學元件提供，并在有需要時可以調焦和作進一步的放大，或者為簡便起見可固定到一獨立的機殼中。應該注意到，可在微型圖像顯示器40之外設置另外的光學元件供進一步放大和/或校正圖像之用。
圖10、11與12分別以前視圖、側視圖與頂視圖示明了本發(fā)明的另一種微型圖像顯示器50。圖10、11與12中所示的微型圖像顯示器50與實際尺寸接近，用以表明通過本發(fā)明能使尺寸減小的程度。微型圖像顯示器50包括透射式手性碟狀結構液晶相空間光調制器52，以后稱作為液晶調制器52(大致與上述的液晶調制器10相似)；圖像發(fā)生設備54；多個驅動/控制電路55；以及多個包括光學放大系統(tǒng)56在內的光學元件，應該認識到，與上述液晶調制器10′大致相似的反射式液晶調制器與可用于稍經修改的微型圖顯示器50。
圖像發(fā)生設備54安裝于一標準印刷電路板58的電接口中。透射式液晶相空間光調制器52安裝成與光學放大系統(tǒng)56光學準直，由此使圖像發(fā)生設備54發(fā)出的光在從光學放大系統(tǒng)56所形成的折疊式光學放大器出來時，在通過液晶調制器52之前先通過此光學放大系統(tǒng)56。
具體參看圖13，為清楚起見，其中示明了圖9中微型圖像顯示器50的放大4倍的側視圖。從此圖可以看出，光學放大系統(tǒng)56包括一光學棱鏡62，使得圖像發(fā)生設備54所發(fā)生的圖像通過光學棱鏡62并通過一折射面63。此圖像然后導引到具有折射進口面65和折射出口面66的光學透鏡64上。此圖像再由此光學透鏡64引導到具有折射進口面69和折射出口面70的光學透鏡68上。同時，在這一實施形式中，于前述表面中之一例如折射進口面65上設有至少一個衍射光學元件，用來校正色差與其它像差。將一透射式液晶調制器52設置成可使圖像發(fā)生設備54發(fā)出的光通過它，同時能與液晶調制器10結合在一起前述方式工作。操作者通過孔徑72看到一出現(xiàn)于微型圖像顯示器50后方的大的有提高清晰度的圖像。
根據(jù)本發(fā)明，圖9至13中所公開的這多個光學元件包括反射元件、折射元件、衍射元件、偏振器、擴散照明器或全息透鏡，它們能依疊置關系安裝到圖像發(fā)生設備上。特別是設置于光學放大器的內表面上。本發(fā)明還公開了可將多個光學元件，包括反射元件、折射元件、衍射元件或擴散照明器，以疊置關系安裝到光或最終集成圖像經其輸出的光學放大器的表面上，特別是安裝到光輸出面的外表面上，而為形成最終集成圖像的光構成一像平面。
本發(fā)明的手性碟狀結構液晶相調制器10與10′可以用來安裝到任意個數(shù)的不同電光系統(tǒng)中，而某些個這類系統(tǒng)則已于以前描述到。應知，液晶調制器相對于光源與光學元件(必要時)的位置取決于所希望的結果和工作方式。這類電光系統(tǒng)最終擬用于各種電子設備中，具體用在用于便攜式通信設備的顯示系統(tǒng)中，此種通信設備例如有蜂窩式與便攜式電話機與尋呼電話接收機，以及用在其它類型的電子器件中，例如靈巧式卡片閱讀器件、目標跟蹤器件、武器系統(tǒng)、光通信器件、光計算器件、光存儲器件、印刷器件、圖像掃描器件或類似器件。
于是，已公開了一種新型的和改進了的手性碟狀結構液晶相空間光調制器，它包括液晶元件與反射元件，用來從空間上調制發(fā)光器件發(fā)出的光的相位，并能較容易和較廉價地生產。本發(fā)明的液晶相空間光調制器是計劃用于擬進行光束控制的電光系統(tǒng)中。這種電光系統(tǒng)的部件包括有牢靠地安裝的光源、液晶相位空間光調制器掃描器件以及可選的光學部件，同時能方便地將電連接件集成到這些部件上并能提供外部連接件。光源、偏振器、擴散照明器以及必要時其它的光學器件可以方便地集成到小型的電光系統(tǒng)內，構成光學放大器并用于便攜式電子設備中，這種電光系統(tǒng)在一易集成到一機殼內的顯示系統(tǒng)內。本發(fā)明還公開了，易于將另設的光學元件例如偏振片、反射元件與衍射元件等設置于顯示系統(tǒng)機殼之外。采用具有低的填充系數(shù)的作光源用并為液晶相空間光調制器掃描的發(fā)光器件，調制器使所通過光的方向路徑發(fā)生改變，由此使得系統(tǒng)的尺寸進一步減小，同時還使所需的電功率減至最少。
盡管上面業(yè)已示明并描述了本發(fā)明的具體實施形式，但內行的人將能作出進一步變動與改進。為此，申請人希望能認識到，本發(fā)明并不限于所示的具體形式，而應認為后附的權利要求書概括了不脫離本發(fā)明的精神與范圍的所有變更形式。
權利要求
1.相空間光調制器，特征在于它具有相調制元件，包括相調制材料和與其相連的驅動/控制電路；至少一個反射元件，它相對于液晶元件定位成，能使反射光從液晶元件出射并投射于其上，以及用來將電壓施加到上述液晶元件上的裝置，由此來改變液晶元件中所含相調制材料的結構。
2.如權利要求1所述相空間光調制器，特征在于所述相調制材料包括液晶材料。
3.如權利要求2所述相空間光調制器，特征在于所述液晶材料是手性碟狀結構液晶材料。
4.如權利要求3所述相空間光調制器，特征在于所述的至少一個反射元件相對于所述液晶元件是裝附于其上，或是與其集成在一起，或是與其相分開設置的。
5.如權利要求4所述相空間光調制器，特征在于所述的至少一個反射元件是全反射鏡。
6.如權利要求4所述相空間光調制器，特征在于所述的至少一個反射元件包括上面已形成有反射材料的基片。
7.如權利要求6所述相空間光調制器，特征在于所述反射材料包括金、鋁和介電材料中的一種。
8.如權利要求4所述相空間光調制器，特征在于所述用來將電壓施加到前述液晶元件上的裝置包括與液晶元件接口的外部電源。
9.電光系統(tǒng)，特征在于它具有光源，包括多個發(fā)光器件，每個發(fā)光器件能發(fā)射特定相位的非偏振光；相空間光調制器，包括限定出至少一個相空間光調制器像素的液晶元件以及反射元件，此相空間光調制器定位成，接收和調制由這多個發(fā)光器件發(fā)出的非偏振光，同時反射投射到此反射元件上為此相空間光調制器所調制的部分非偏振光；以及多個與所述這多個發(fā)光器件連接的驅動/控制電路和多個與所述相空間光調制器的液晶元件相連接的驅動/控制電路，用來輸出電壓到此相空間光調制器的液晶元件上，由此來改變從所述發(fā)光器件發(fā)出的非偏振光的相位，最終改變此光的方向路徑。
10.如權利要求9所述電光系統(tǒng)，特征在于，所述發(fā)光器件包括下述器件中的一種無機發(fā)光二極管、有機發(fā)光二極管、場發(fā)射顯示器、陰極射線管、垂直腔面發(fā)射激光器、液晶顯示器以及電致發(fā)光器件。
全文摘要
由液晶元件(12)與反射元件(14)組成的相空間光調制器(10),能接收與調制投射于其上的基本上是100%的非偏振光,計劃用于另設有光源(30)、驅動/控制電路系統(tǒng)(55)和可選的光學放大系統(tǒng)(56)的電光系統(tǒng)內。工作中,施加了外部激勵,例如外部電源供給的電壓,由此改變所通過的上述所發(fā)射光的相位,形成兩束以不同方向傳播的光。第一束光投射到反射元件(14)上并反射回以沿與第二束光相同的方向路徑傳播。
文檔編號G02F1/13GK1179550SQ9711157
公開日1998年4月22日 申請日期1997年5月16日 優(yōu)先權日1997年5月16日
發(fā)明者迪亞納·陳, 非爾·萊特, 卡倫·E·加什莫維茨 申請人:摩托羅拉公司