用于非偏振光的手性碟状结构液晶相空间光调制器的制作方法

专利名称：用于非偏振光的手性碟状结构液晶相空间光调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光扫描器或光束控制器领域，具体涉及到调制非偏振光，最终改变光所通过的方向路径。
当前所用的许多电子器件在制造中用到了各种各样的光源。在开发更新和更先进的电子器件中，所关心的是要能够保持最少的功率需求和低的制造费用。实现这些结果的一种方法是利用扫描或光束控制技术，使一般由许多发光器件组成的光源发出的光最终改变其方向路径。方向路径的这种改变能由较少的发光器件因而是较小的有源面积来产生所需的，看来似乎由更多的发光器件或较大的有源面积所形成的效应。利用这种扫描或光束控制原理的电光器件已见于显示系统中。此外，扫描或光束控制技术也可用于其它电光器件，例如目标跟踪器件、武器系统、光通信器件、光计算器件、光存储器件、印刷器件、像扫描器件，或类似器件。
人的视觉系统是一复杂系统，它有很大的本领去吸收有许多不同格式的大量信息，包括显示器的信息。显示器当前有各种不同的规格和形式，显示多种类型的信息，从机场中公布调度信息的大型显示屏到例如安装在袖珍式计算机内的小型显示屏。减小显示器尺寸，特别是减小用于袖珍式电子器件例如袖珍式通信设备等的显示器尺寸所关心的，是输出的质量、最小所需功率的维持以及低的制造费用。
制作能使所用功率最少的电光系统的一种可供选择的方法是引入扫描技术，由最少个数的有源发光器件来获得所需结果。在减小利用扫描技术的显示器的尺寸和保持清晰度质量方面，有关的是人的视觉系统的处理和集成信息的能力以及此视觉系统能进行上述工作的速度。人的视觉系统能够处理信息的速度不会超过约60Hz。因此，在1/60秒内投影和扫描到显示器上不同位置的图像可以为观察者的眼作为一集成图像观察到。举例来说，在60Hz频率下使图像“A”在显示器中移动到六个不同位置时，观察者将看到由六个“A”组合的集成图像。要是同时对此图像内容进行调制，例如六个字母“A”、“B”、“C”、“E”与“F”分别和依序地于60Hz速度下移至六个不同位置时的图像，则观察者将看到由这六个字母组合的集成图像。这一过程周知为时分成像法(time-multiplexed imagery)，通过采用扫描器或光束控制器，可以用于显示工业领域，更确切地说，可以用于开发高清晰度的微型显示器。
光扫描或光束控制器件当前不仅用于显示器，还用于其它电子器件例如目标跟踪器件、武器系统、光通信器件、光计算器件、光存储器件、印刷器件、图像扫描器件或类似器件。这类扫描器件可以多种形式存在，最普通的是装配有反射镜的机电型扫描器，例如电流计式扫描器与多角镜扫描器。这类机电型扫描器一般有较大的尺寸，因此不适合于小型、轻量、以低功率消耗运转、从本质上说是便携式的显示器件。此外，机械型扫描器复杂，因而生产费用高，且在大多数情形下在工作时要耗用很大的功率。
许多当前的扫描器件，特别是那些应用了手性碟状结构(chiralsmectic)液晶材料的扫描器件，只能控制圆偏振光。在这些扫描器件中，首先必须采用偏振器将非偏振光变为线偏振光。此时，光的100％入射到偏振器上。在偏振器与调制器之间设置四分之一波片，由此使线偏振光变成圆偏振光。工作中，约50％的光和/或能量透过偏振器和此四分之一波片，而其余约50％的光则为此偏振器吸收。这样的结构允许圆偏振光进入调制器而进行调相。入射的非偏振光必须首先线性偏振化，然后在进入调制器之前再圆偏振化，由于需从光学上准直线偏振器、四分之一波片以及手性碟状结构液晶相空间光调制器，就会增加制造费用与困难。
为此，需要有小型的扫描器件来扫描即控制所通过的100％的非偏振光，以用于电光系统中，例如安装到下述器件内的电光系统中微型显示器、目标跟踪器件、武器系统、光通信器件、光计算器件、光存储器件、印刷器件、图像扫描器件、或类似器件。
为此，极其希望能提供这样的扫描装置，它所利用的液晶相空间光调制器包括有反射元件，例如完善的反射镜作为它的一个部件用于调相，由此得以扫描因而控制着所通过的100％的非偏振光。
本发明的目的之一在于提供新的和改进了的扫描系统，它所利用到的液晶相空间光调制器装配有能从空间上调制入射于其上的100％非偏振光的反射元件。
本发明的另一目的在于提供这样一种包括有反射元件的手性碟状结构液晶相空间光调制器，它用于电光系统中，这类电光系统则一般用于显示器、目标跟踪器件、武器系统、光通信器件、光计算器件、光存储器件、打印器件、图像扫描器件，或类似器件。
本发明的又一目的在于提供这样一种包括有反射元件的手性碟状结构液晶相空间光调制器，它用于新型和改进了的显示系统中以提高显示清晰度，从而可以使这样的扫描器安装到微型显示器中。
本发明的再一个目的在于提供借助利用手性碟状结构液晶相空间光调制器来扫描100％由像源发出的非偏振光的方法，这种光调制器包括反射式元件和外加的激励源，可以安装到微型显示系统中同时保持所观察图像清晰度的质量。
上述问题和其它的问题以及上述目的和其它的目的已由用于非偏振光的手性碟状结构液晶相空间光调制器或调制系统予以解决和加以实现。这种调制器包括手性碟状结构液晶相空间调制元件、反射元件和驱动/控制电路，它计划用来安装到还包括光源、驱动/控制电路和供选择的光学元件的电光系统中。
在最佳实施形式中，这种相空间光调制器利用了一扫描元件，它有装附于其上、构成其一部分或从空间上相对其定位的反射元件，例如完善的反射镜或类似装置。工作中，非偏振光进入本发明的调制器并在扫描元件内经历调相，由此改变所通过的光的传播方向。此调制器能以透射方式或反射方式工作。当从扫描元件出射时，此光分成两束，以两条独立的路径传播。一束光入射到反射元件上，而第二束光则以一般离开反射元件的方向传播。作为调制器一部分所提供的反射元件相对于扫描元件的输出面按特定角度定位，此角度取决于工作方式和光源的位置。入射到反射元件上已调制的光束为反射面反射，在传播方向上发生第二次改变。此光一旦被反射后，即依平行于从扫描元件出射而未入射到反射元件上的已调制光束的方向路径传播。这种扫描与反射允许基本上是100％的入射到调制元件上的光能从空间上加以调制并依一条方向路径传播。
上述调制器或扫描器经制造成能从空间上对从图像或光源发出的光作基本上是100％的调相，这种光源一般是由发光器件〔最普通的是由发光二极管或垂直腔面发射激光器(VCSEL)〕的阵列组成，由此使光的方向路径发生最终变化，而这在显示系统中可以作为清晰度提高了的集成图像观察到。需知也可采用其它的发生光或图像的器件，例如有机发光二极管(LED)、阴极射线管(CRT)、场发射显示器(FED)、电致发光显示器、等离子显示器、液晶显示器(LCD)等，但为简明起见，在此整个说明书中将采用概括性名词“发光器件”。
一般，本发明的手性碟状结构液晶相空间光调制器(以后称为液晶调制器或扫描器)能对像源发射出光的约100％进行调相，由此控制所通过的光的方向路径。这是根据下述原理实现的，组成了扫描元件中所含手性碟状结构液晶材料的，这多个分子的结构组织不是刚性的，即是说这些分子在外部激励的直接影响下易于重新定向。外部激励对液晶材料作用的结果使此材料中的分子结构重新定向，促致通过其中的光的相位改变。简言之，这种相变乃是外部激励(在本发明中即所加电压)的函数，虽然不必是线性函数。应知施加到液晶材料上的不等量的电压会产生不等的调相结果，由此改变所通过的光的传播方向或角度。
在某些液晶扫描器或光束控制器的工作中，关心的是因标准偏振器吸收了50％能量的能量损失。在绝大多数情形下，光在进入液晶扫描器之前必须线性偏振化，以使全部的光调控到同一方向。本发明的手性碟状结构液晶扫描器经制造成允许通过基本上是100％的所通的非偏振光。
在本发明的手性碟状结构液晶扫描器中，是对扫描器施加电压以改变在液晶元件中所含手性碟状结构液晶材料中的分子取向。分子的这种重新定向改变了光的传播方向，并在为反射元件反射时改变了从扫描器出射的一部分光的方向。在把所述调制器加入到显示系统的情形中，在观察者看来，由于所通过的光改变了方向，这种改变便在所产生的最终集成图像的填充系数和/或像素数之中转换成可以看得见的一种变化。采用了叠层式的液晶元件取向，由此可从空间上调制基本上是100％所产生的光波而改变其方向，同时形成了光的最终路径和/或观察者所能看见的最终集成显示图像。在显示器中，此最终的集成图像表现上呈现出较高的清晰度和较大的填充系数，但像源中的有源像素数仍旧相同。
在最佳的实施形式中，这种手性碟状结构液晶扫描器制成为单一的液晶元件，上面装附有或集成有、或在空间位置上与之相分开地设置为反射元件。具体地说，此反射元件相对于光所出射的扫描元件的表面以角度φ定向。上述手性碟状结构液晶扫描器设置于微型显示系统中，按透射方式或反射方式工作。当依透射方式工作时，液晶元件定位成使发光器件阵列所产生的光直接通过调制器并被扫描，由此光分裂成两束。在这两束光之一进一步从反射元件上反射后，通过调相使光最终取单一方向路径。当调制器依反射方式工作时，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质，同时定位成使阵列产生的光通过扫描器两次。工作期间，扫描器定位成使得发光器件阵列发生的光进到液晶元件内并从经同一表面出射。光于是就这样地被扫描，而使出射的光分成两束，其中一束经调相被反射而形成最终光程或于显示器中形成集成图像。
调制器通过扫描光源，一般通过扫描子像素或器件、像素或器件组和/或子阵列，经调相而产生最终的光程。这种扫描或光束控制用来从空间上调相和调制光的传播方向。光源中的实际像素或器件数仍旧相同，而且未采用另设的有源区、器件或像素等，但在显示器中，所生成的最终集成图像的清晰度和填充系数则通过扫描过程显著增加，而当装配到其它利用光束控制的器件中时，对所通过的光进行调相可以减少光源的有源区域。
本发明的新颖特点与可信特征列述于权利要求书中。本发明本身及它的其它特点与优点则可结合附图参考后面的详细说明获得最好的理解，附图中

图1是上面装附有反射元件的本发明的透射式手性碟状结构液晶元件结构简化的横剖图2是具有分开设置的反射元件的本发明的反射式手性碟状结构液晶元件结构简化的横剖图；图3、4与5是本发明的透射式手性碟状结构液晶调制器的三种构型的简化的示意图，示明所通过的光的空间调制和最终的传播方向；图6、7与8是本发明的反射式手性碟状结构液晶调制器的三种构型的简化的示意图，示明所通过的光的空间调制和最终的传播方向；图9是装配有本发明液晶调制器的微型图像显示器的简化的示意图；图10、11与12分别是采用了本发明的液晶调制器的图像显示设备的前视图、侧视图与顶视图；而图13是应用了本发明的手性碟状结构液晶调制器的图10中设备的放大4倍的侧视图，示明了通过此设备的光的传播方向。
在下面的描述过程中，在示明本发明的不同图中是以相同的标号指示相同的部件。本发明的基础在于利用一维或二维阵列中形成的各个可寻址的可见光发射器件，结合上驱动/控制电路系统和构成本发明的发光器件、光源或像源的光学元件。为了在给定数目的发光器件下来提高清晰度或是为了减少实现所需结果而需的发光器件数，采用了借助手性碟状结构液晶相空间光调制器的扫描技术，这种调制器后面也称作为手性碟状结构液晶扫描器。在显示系统中，发光器件是用作像源，扫描发光器件阵列的部分或元件而形成最终集成图像，在此，光通过液晶元件，随之反射一半所通过的发射光，从而于空间上调制这部分发出的光的相位，使得所有的光依一致方向传播。上述调相改变了传播方向，并在实际上是把光“移动”到显示器的另一部分上。这种扫描作用给予观察者看到了一种高清晰度的最终集成图像。内行的人当知，这样的扫描或调制可由为产生整版显示所需显示器件数少得多的显示器件来形成整版显示。最终的集成图像可作为直接观察的图像、微型的虚像或投影像而观察到。此外，应知本发明的调制器是计划用于其它未安装显示器的情形，即用于调制从光源发射出的光的相位，一般用在目标跟踪器件、武器系统、光通信器件、光计算器件、光存储器件、印刷器件、图像扫描器件，或类似器件中。
本发明所用的扫描方法是以调相原理为基础，由此来改变发光器件阵列中若干部分或若干元件所发出的光的方向路径。在利用扫描技术产生最终集成图像中或是在最终改变的光程中，关系到因偏振性质造成的能或光的损耗。一般，当前所用的手性碟状结构液晶扫描器只能扫描或控制圆偏振光，因而必须在使光通过此扫描器之前，使用偏振器将非偏振光改变为线偏振光，再使用四分之一波片使其圆偏振化。于是出现了只有入射到偏振器和/或扫描器上的光的约50％通过，而剩下的约为50％的光则为偏振器吸收。
在本发明的手性碟状结构液晶调制器最佳实施形式中，能使基本上是100％的光通过而加以控制。这种手性碟状结构液晶调制器包括调相元件，更确切地说是液晶元件，上面装附有、或集成有、或相分开地设置有反射式元件，它相对于光所出射的液晶元件输出面依角度Φ定向。对通过液晶元件的光进行调相再结合该光中反射部分的光，就可沿定向路径控制基本上100％的非偏振光。
在这一最佳实施形式中，调相元件或更确切地说即液晶元件是由许多液晶扫描器像素组成，对它们施加了外部激励，由此改变元件中所含液晶材料的分子取向而使所通过的光调相。具体地说，工作时，此手性碟状结构液晶元件的液晶像素起到可变方向的半波延时器的作用。由大致呈小锥形的光源所发出的入射光的调相是通过在与光传播方向垂直的平面中，转动组成液晶像素的液晶分子的光轴来实现。非偏振光可以想像为不具有相位关联的左旋与右旋偏振光叠加的结果。在透射过液晶元件时，圆偏振入射光进行着手性的改变，经历相反符号的调相，这样就接受了两倍于液晶元件的像素内所限定的分子旋转。于是非偏振光在从延时器出射时分束到相对入射方向对称的两个方向上。液晶元件内所含各液晶分子的光轴取向均由所施加的电压控制。由这多个液晶分子所确定的液晶像素或光束控制件在液晶元件内被安排作为各个受控的元件，而通过调节各个元件的相位来实现光束的偏转。选择驱动系统使这多个像素的相位函数表示近似于闪耀光栅(blazed grating)的阶梯式阵列。这样形成的调相允许具有最少数的像素或器件和低填充系数的像源或光源，它同包括液晶元件和反射元件的液晶调制器结合，在显示器中产生出看来似乎由数量多得多的像素构成的集成图像，或者可把它用于目标跟踪器件、光通信、计算或存储器件、印刷器件、图像扫描器件中，产生最终改变光的方向路径。
如前所述，本申请的目的在于提供计划用于微型显示系统或电光系统中的手性碟状结构液晶调制器或扫描器，它是由发光器件、调制器、驱动/控制电路和多个光学元件组成。在其最佳实施形式中是利用液晶调制器对上述发光器件发出的光进行调相，以使前述系统能保持小的尺寸而可安装到微型显示系统或便携式电子设备中，例如武器系统或跟踪器件、光通信器件、计算与存储器件、打印器件、图像扫描器件或类似器件中。应知在此可以采用各种光源或图像发生装置，例如有机或无机的发光二极管(LED)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、阴极射线管(CRT)、场发射显示器(FED)、电致发光显示器、等离子显示器、液晶显示器(LCD)等，它们可以取二维阵列形式。还应认识到，当利用上述另外形式的光源或像源时，除前述最佳实施形式中所需的光学器件外可能还需另采用滤光片和/或光学元件。为简明起见，本说明书中将普遍使用概括性名词“发光器件”。
现在参看附图，其中公开了本发明的手性碟状结构液晶调制器或扫描器或器件。应知本发明的液晶调制器的最佳实施形式一般包括液晶元件和反射元件，后者例如是相对于此液晶元件的光发射面依角度Φ定向设置的完美的反射镜。可以按调制器或扫描器形式使用的液晶元件的具体结构将参考图1和2进行说明，这两个图以简化的局部横剖图分别示明了透射式的和反射式的液晶调制器，它们各有液晶元件和反射元件。
具体参看图1，其中示明了由光学透明材料构成的透射式液晶调制器10的简化与放大的局部横剖图。透射式液晶调制器10起到半波片的作用，更具体地说，可以用作0.5、1.5、2.5等的波延迟器，由此使通过的光按半波量级产生相位延迟。光学透明材料的应用使得在把透射式液晶调制器10设置于显示器或电光系统中时，能使发光器件发出的光直接通过液晶调制器10。透射式液晶调制器10由透射式液晶元件12和反射元件14构成。透射式液晶元件12一般制成叠层形式，包括由任何方便的光学透明材料例如玻璃形成的基片16。邻接基片16的外边缘形成有许多控制终端(未示明)，它们同多层导电材料(即将讨论)形成的许多控制电路电连。在基片16的上表面上形成有第一带图案的导电材料层17，层17由光学透明材料例如氧化铟锡(ITO)制成，可使入射到其上的光通过并确定出光学透明的接点。在层17的上表面上则设有第一分子定向或取向层18。定向层18用来使组成液晶材料(即将讨论)的分子恰当地定位和取向，使得在没有外部激励例如电压作用于液晶元件12之上时，液晶元件12中的分子能沿非寻常光轴定向。确切地说，定向层18同液晶元件12的第二定向层(即将讨论)相结合，以帮助本发明的调制器10的液晶元件12中的分子定向。
用任何适当的方式，例如用粘合剂，化学键合、生长与腐蚀层等将大致呈管状的玻璃隔件19固定地附着于定向层18的上表面上。自然应知管状玻璃隔件19是可以由种种其它实施形式例如取玻璃珠状或其它类似形式的，上述结构只用于说明目的。管状玻璃隔件19限定出一个贯穿的内部孔口21，其大小足以包围住透明电极图案化所形成的阵列。管状玻璃隔件19中孔口21界定出空腔，它具有与定向层18的上表面相结合的在内部相对的平面，并被填充以液晶材料20例如手性碟状结构液晶材料的连续层。
玻璃板224具有第二层导电材料23以进一步确定出第二电接触点。应知第二导电材料层23也可以图案化，构型成与导电材料层17正交，确定出液晶像素的二维阵列。层23形成于玻璃板24的下表面上而确定出第二电接触点，它同透明导电材料层17和液晶材料20相结合，形成由上述光学透明接点和第二接点所确定的液晶像素的完整阵列。在这一最佳的透射实施形式中，第二接点是由光学透明材料例如氧化铟锡或类似材料形成。
导电材料层17与23由导线连接到与管状玻璃隔件19的外边缘相邻的键合压焊区(未示明)上。此键合压焊区然后再由任何方便的装置，例如引线键合，管状玻璃隔件19边缘中的馈通式连接件(未示明)电连接基片16上的键合压焊区。可对前述键合压焊区施加公用电势，例如接地的或某种固定的电压，它同施加到前所述接点上的各种电势相配合，激活并给液晶材料20施加电压。在图案化的导电材料层23的下表面上形成有第二定向层22。液晶材料20则包含在由定向层18的上表面、管状玻璃隔件19的内孔口21以及定向层22的下表面所限定的空腔内。内行的人可知，定向层18与22能够形成于分离开的或不相连的层上，组装时这两个层是位于管状玻璃隔件19的相对侧上并被象三明治一样夹在其余的层中。应知虽然在此公开的是两个独立的定向层，但根据本申请，也可采用只有单一定向层的另一种制造方法。
用多个驱动与控制电路(未示明)来完成此透射式液晶元件12，此元件包括一液晶像素阵列，每个像素都可通过连接片独立地寻址。上述驱动与控制电路具有通过多个连接片或键合压焊区连接液晶扫描器像素阵列的数据输入端与控制信号输出端，用来激活和控制各个液晶扫描器的像素和对其施加电势或电压。在形成二维阵列时，液晶元件12的电接触点是按行与列形成，而寻址与开关电路(未示明)则包括行与列的总线和与接点耦合的电子开关，使得各个接点、像素能够逐一访问。此行与列的总线电连着邻接玻璃24边缘所形成的那多个连接片，用来与各个像素进行外部通信(寻址与控制)。为使液晶材料20的特定部分中的分子结构重新定向，必须相对此特定的像素或特定部分在上、下接点间施加由外部激励源例如外部电源提供的电势或电压。在没有施加电压时，液晶材料20通常在中性状态下，使分子的取向或分子的长轴沿着非寻常光轴(Ne)，即为光通过时出现非寻常折射率且为任何光通过时不会发生调相的轴线。虽然这一实施形式是用行与列的驱动器件说明，但应知在另一种实施形式中可将薄膜晶体管作为有源驱动器件设在各液晶扫描器像素之后。此外应知本发明的手性碟状结构液晶元件12可以制造成为非像素式的、含单一像素的、或取一维或是二维阵列形式的多个像素。
如图1所示，液晶调制器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层反射材料组成反射层25的基片。可用于本发明中的反射材料包括，但不限于铝、金、介电材料或类似材料。反射元件14相对于液晶元件12的光输出面26按角度Φ取向。更具体地说，反射元件14定位成可使从液晶元件12的光输出面26沿朝反射元件14的方向传播的光的反射表面25反射，由此便改变了光的方向路径。应知反射元件14可以装附到液晶元件12上，集成到液晶元件12上或相对于液晶元件12分开设置。
再来参看图2，其中以简化横剖图所示本发明的反射式手性碟状结构液晶调制器10′，包括反射式液晶元件12′以及与其分开设置的反射元件14′。要注意，所有与图1中所示部件类似的部件是用相似的标号标明，并于标号的在上角加一撇“′”来表明不同的实施形式。反射式液晶调制器10′起到四分之一波片，更确切地说起到0.25、1.25、2.25等波延迟器的作用，这样就使所通过的光在通过液晶材料(即将讨论)按四分之一波长的量级延迟。其中，光通过液晶材料然后反射(即将讨论)回通过液晶材料，总的延迟为半波长的量级。反射式液晶元件12′类似于前述的透射式液晶元件12，不同的是有某种显示反射性质的元件制作成元件12′的一部分。具体参看图2，其中所示的反射式液晶元件12′包括光学透明基片16’、光学透明导电材料层17′与23′、分子定向层18′与22′、玻璃隔件19′、液晶材料20′与玻璃板24′。液晶元件12′一般依叠层方式制作，与图1透射式液晶元件12相同。与透射式液晶元件12相同，工作中给元件12′施加电压，激活液晶材料20′，根据所加电压调制通过的光的相位。
在这一最佳实施形式中，安装有如图2所示的两个透明导电材料层17′与23′，同时将一独立的反射层27设于液晶叠层件之中，使得通过液晶材料20′的光反射回通过液晶材料20′而在此单个液晶元件12′内经两次调相。反射层27可由任何方便的反射材料例如铝或类似材料制成。在另一实施形式中，这两个导电材料层中之一例如层23′是由反射材料例如铝制成，这一接点本身用来反射入射到其上的光因而不再需另设反射层。在这种实施形式下，此反射导电材料层可以由铝或任何反射金属形成，但要求这种金属便于图案化或便于定位到玻璃板24′的表面上，此反射材料层将反射入射到其上的光，使其反射回通过液晶材料20′，而在单个液晶元件12′内经第二次调相。
液晶调制器10′包括有图2所示的反射元件14′，其结构与前述透射式液晶调制器10中的反射元件14类似。反射无件14′相对于液晶元件12′的光输出面26′按角度Φ定向。更具体地说，反射式元件14′定位成能使从液晶元件12′中光输出面26′上出射的依定向路径朝向反射元件14′的光能被反射元件14′反射，由此而改变光的方向路径。如图2所示，反射式元件14′是与液晶元件12′相分开设置。应知反射式元件14′也可装附到液晶元件12′上或集成到液晶元件12′上。
在又一实施形式(未示明)中，可将反射式液晶元件形成于硅片上，而在此硅片上使导电材料直接图案化。这种液晶元件基本上是依据上面所公开的有关反射式液晶元件12′的实施形式形成的，其中采用了反射元件或反射层来取代或结合导电材料层。在这种实施形式中，是在其中已形成有驱动电路的硅片的上表面上直接形成多个金属片而集成了驱动电路与扫描器。
本发明的液晶相空间光调制器10以及10′如前所述是分别用来以透射或以反射方式工作的。参看图3、4与5，其中所示为安装于可见电光系统(未示明)内的透射式液晶调制器10的不同构型。应知调制器10中各个部件适当的构型与定向取决于此电光系统内的像源或光源相对于调制器10的定位。
具体参看图3，其中给出了电光系统例如显示系统中各个部件的定向和/或构型的示意图，具体包括有光源30、液晶元件12和反射元件14。光源30通常包括多个发光器件，同时定向成使得所发出的光将以角度Φ入射到透射式液晶元件12的光输入面28上，并在方向箭头所示的相空间调制下通过其中。调制器10的反射元件14定位成离开光输出面26一角度Φ，平行于从光源30发出的光入射到液晶元件12的光程。工作时给液晶元件12施加一电压，由此从空间上调制光所通过的路径。
如图3中虚线所示，当未将电压加到元件12上时，入射到其上的光的未改变的传播路径将沿直径通过。当把电压施加到此调制器上时，所通过的光在空间上被调制而从液晶元件12出射分裂成图3中方向箭头所示的两个独立光束。从调制器出射的一束光为右旋圆偏振光而另一束为左旋圆偏振光。每束光各依据此偏振结果依特定方向路径传播。第一束光以相对于进入的光的未改变的传播路径成正角α的方向传播，第二束光则以相对于未改变的传播路径成负角α的方向传播。如图所示，此第一束光以朝反射元件14的方向路径传播。这束光依角度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，由此而以与第二束光相同的方向路径传播。应知在工作中，有多个发光器件将光发射到元件12的光输入面28上，由此从空间上调制入射到其上的光，并在用于显示系统中时形成看起来是由远比光源中像素数为多的像素组成的最终集成图象。
下面参看图4，其中示明了本发明的透射式液晶调制器10的另一种构型。具体示明于图中的液晶元件12在上面安装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的光输出面26。如前所述，光源30定位成使发出的光与反射元件14的取向平行。当通过的光径空间调制同时有部分光为反射元件14所反射时，所有的光便依单一方向路径传播。
现在参看图5，其中示明了本发明的透射式液晶调制器10的又一种构型。具体示出于图中的液晶元件12具有与其分开设置的反射元件14。反射元件14相对元件12成广角，这就要求入射到其上的光依广角的方向路径传播。如方向箭头所示，由光源30发出的光通过液晶元件12分成朝向反射元件14传播的第一方向光束和朝向显示系统输出端传播的第二方向光束。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径朝向显示系统的输出端。液晶调制器10的应用虽可使光源30发出的光基本上是100％地经空间调制，但应认识到有小百分比的光或能将因反射、衍射或散射损失。
如前所述，本发明的液晶调制器10当液晶元件12取具有反射性质构型时可依反射方式工作。现来参看图6、7与8，其中所示不同构型的本发明的反射式液晶调制器10具有与其分开设置的反射元件14′。在此仍需指出，此种反射式液晶调制器的所有与透射式液晶调制器的相似的部件均以相似的标号标明，但在标号在上角加“′”以指明不同的实施形式。反射式液晶元件10′以类似上述透射式液晶调制器10的方式工作，例外的是在这里的实施形式中，从光源30′发出的光是通过液晶元件12′的同一光输入/输出面29进出。具体参看图6，其中示明了本发明液晶调制器10′的一种构型。调制器10′含反射式液晶元件12′和反射元件14′。如图所示，光源30′在一显示系统(未示明)中定位成，使由像源发出的光同液晶元件12′的光输入/输出面29构成一入射角Φ′。如图中虚线所示，当没有电压加到元件12′上时，投射到液晶元件12′上并通过元件12′反射回的光是依图示的方向路径传播。当加有电压时，进入并通过元件12′反射回的光经空间调相并从元件12′出射，分成图6中方向箭头所示的两股独立光束。各束光依特定的方向路径传播。第一束光以相对于进入的光的未改变的传输路径成负角α′的方向传播，第二束光则以相对于该路径成正角α′的方向传播。如图所示，第一束光依朝向反射元件14′的方向路径传播，这束光以角度α′投射到反射元件14′上并为其以相等角度α′反射回，而以与第二束光相同的方向路径传播。
图7与8中示明了调制器10′的相似构型。如图7所示，反射元件14′是以广角装附于液晶元件12′之上。在图8中，反射元件14′是以相对于液晶元件12′的光输入/输出面29成90°的角装附到液晶元件12′之上的。如图所示，在通过液晶元件12′后发射出两束光，第一束投射到反射元件14′上，在此以相同于第二束发出的光的方向路径反射回。
应知本发明的液晶相位空间光调制器是计划用于需要控制非偏振光的电光系统中。更具体地说，这种液晶相空间调制器是计划用于微型显示系统、目标跟踪器件、武器系统、光通信器件、光计算器件、光存储器件、印刷器件、图像扫描器件或类似器件。在显示系统中使用和工作时，这一由像源或发光器件、相空间调制器、驱动/控制电路和各种光学元件组成的系统便产生出最终的集成图像。这样的图像则小到难以由人眼确切地看清(全面了解)，而一般要求至少放大4倍以便获得舒适而完整的观察，可以与本发明的手性碟状结构液晶相空间光调制器相结合而组装到显示系统中的几个光学放大系统例子示明于下述的图9至13中。
参看图9，其中以简化的示意图示明一微型图象显示器40。此显示器40由一机壳42限定，包括一用来提供图像的图像发生设备41。由光学元件44所代表的光学系统相对于显示器40的图像发生设备41分开设置。与前述反射式液晶调制器10′大致相似的反射式相空间光调制器45则定位成，能使图像发生设备41发出的光经空间调制，而产生一可由与孔径48相分开的观察者的眼47看清的高清晰度的最终集成图像。应知可把与前述调制器10大致相似的任一种透射式液晶调制器用于微型图像显示器40中。
工作中，图像发生设备41所发出的光通过光学元件44与调制器45。将不等的外部电压施加到调制器45，由此使图像发生设备41的多个发光器件发出的光产生扫描效应。由观察者的眼47通过孔径48所看到的最终集成图像表现上具有较大的像素数和增大了的充填系数，但实际上图像发生设备41中的像素数仍旧相同。
由与图像发生设备41以分隔开的关系安装的多个示意性表明的光学元件44接收来自此设备41的图像并将其依预定的倍数放大。自然应该认识到，这样的放大和/或校正能够由任意个数和任意类型的光学元件提供，并在有需要时可以调焦和作进一步的放大，或者为简便起见可固定到一独立的机壳中。应该注意到，可在微型图像显示器40之外设置另外的光学元件供进一步放大和/或校正图像之用。
图10、11与12分别以前视图、侧视图与顶视图示明了本发明的另一种微型图像显示器50。图10、11与12中所示的微型图像显示器50与实际尺寸接近，用以表明通过本发明能使尺寸减小的程度。微型图像显示器50包括透射式手性碟状结构液晶相空间光调制器52，以后称作为液晶调制器52(大致与上述的液晶调制器10相似)；图像发生设备54；多个驱动/控制电路55；以及多个包括光学放大系统56在内的光学元件，应该认识到，与上述液晶调制器10′大致相似的反射式液晶调制器与可用于稍经修改的微型图显示器50。
图像发生设备54安装于一标准印刷电路板58的电接口中。透射式液晶相空间光调制器52安装成与光学放大系统56光学准直，由此使图像发生设备54发出的光在从光学放大系统56所形成的折叠式光学放大器出来时，在通过液晶调制器52之前先通过此光学放大系统56。
具体参看图13，为清楚起见，其中示明了图9中微型图像显示器50的放大4倍的侧视图。从此图可以看出，光学放大系统56包括一光学棱镜62，使得图像发生设备54所发生的图像通过光学棱镜62并通过一折射面63。此图像然后导引到具有折射进口面65和折射出口面66的光学透镜64上。此图像再由此光学透镜64引导到具有折射进口面69和折射出口面70的光学透镜68上。同时，在这一实施形式中，于前述表面中之一例如折射进口面65上设有至少一个衍射光学元件，用来校正色差与其它像差。将一透射式液晶调制器52设置成可使图像发生设备54发出的光通过它，同时能与液晶调制器10结合在一起前述方式工作。操作者通过孔径72看到一出现于微型图像显示器50后方的大的有提高清晰度的图像。
根据本发明，图9至13中所公开的这多个光学元件包括反射元件、折射元件、衍射元件、偏振器、扩散照明器或全息透镜，它们能依叠置关系安装到图像发生设备上。特别是设置于光学放大器的内表面上。本发明还公开了可将多个光学元件，包括反射元件、折射元件、衍射元件或扩散照明器，以叠置关系安装到光或最终集成图像经其输出的光学放大器的表面上，特别是安装到光输出面的外表面上，而为形成最终集成图像的光构成一像平面。
本发明的手性碟状结构液晶相调制器10与10′可以用来安装到任意个数的不同电光系统中，而某些个这类系统则已于以前描述到。应知，液晶调制器相对于光源与光学元件(必要时)的位置取决于所希望的结果和工作方式。这类电光系统最终拟用于各种电子设备中，具体用在用于便携式通信设备的显示系统中，此种通信设备例如有蜂窝式与便携式电话机与寻呼电话接收机，以及用在其它类型的电子器件中，例如灵巧式卡片阅读器件、目标跟踪器件、武器系统、光通信器件、光计算器件、光存储器件、印刷器件、图像扫描器件或类似器件。
于是，已公开了一种新型的和改进了的手性碟状结构液晶相空间光调制器，它包括液晶元件与反射元件，用来从空间上调制发光器件发出的光的相位，并能较容易和较廉价地生产。本发明的液晶相空间光调制器是计划用于拟进行光束控制的电光系统中。这种电光系统的部件包括有牢靠地安装的光源、液晶相位空间光调制器扫描器件以及可选的光学部件，同时能方便地将电连接件集成到这些部件上并能提供外部连接件。光源、偏振器、扩散照明器以及必要时其它的光学器件可以方便地集成到小型的电光系统内，构成光学放大器并用于便携式电子设备中，这种电光系统在一易集成到一机壳内的显示系统内。本发明还公开了，易于将另设的光学元件例如偏振片、反射元件与衍射元件等设置于显示系统机壳之外。采用具有低的填充系数的作光源用并为液晶相空间光调制器扫描的发光器件，调制器使所通过光的方向路径发生改变，由此使得系统的尺寸进一步减小，同时还使所需的电功率减至最少。
尽管上面业已示明并描述了本发明的具体实施形式，但内行的人将能作出进一步变动与改进。为此，申请人希望能认识到，本发明并不限于所示的具体形式，而应认为后附的权利要求书概括了不脱离本发明的精神与范围的所有变更形式。
权利要求
1.相空间光调制器，特征在于它具有相调制元件，包括相调制材料和与其相连的驱动/控制电路；至少一个反射元件，它相对于液晶元件定位成，能使反射光从液晶元件出射并投射于其上，以及用来将电压施加到上述液晶元件上的装置，由此来改变液晶元件中所含相调制材料的结构。
2.如权利要求1所述相空间光调制器，特征在于所述相调制材料包括液晶材料。
3.如权利要求2所述相空间光调制器，特征在于所述液晶材料是手性碟状结构液晶材料。
4.如权利要求3所述相空间光调制器，特征在于所述的至少一个反射元件相对于所述液晶元件是装附于其上，或是与其集成在一起，或是与其相分开设置的。
5.如权利要求4所述相空间光调制器，特征在于所述的至少一个反射元件是全反射镜。
6.如权利要求4所述相空间光调制器，特征在于所述的至少一个反射元件包括上面已形成有反射材料的基片。
7.如权利要求6所述相空间光调制器，特征在于所述反射材料包括金、铝和介电材料中的一种。
8.如权利要求4所述相空间光调制器，特征在于所述用来将电压施加到前述液晶元件上的装置包括与液晶元件接口的外部电源。
9.电光系统，特征在于它具有光源，包括多个发光器件，每个发光器件能发射特定相位的非偏振光；相空间光调制器，包括限定出至少一个相空间光调制器像素的液晶元件以及反射元件，此相空间光调制器定位成，接收和调制由这多个发光器件发出的非偏振光，同时反射投射到此反射元件上为此相空间光调制器所调制的部分非偏振光；以及多个与所述这多个发光器件连接的驱动/控制电路和多个与所述相空间光调制器的液晶元件相连接的驱动/控制电路，用来输出电压到此相空间光调制器的液晶元件上，由此来改变从所述发光器件发出的非偏振光的相位，最终改变此光的方向路径。
10.如权利要求9所述电光系统，特征在于，所述发光器件包括下述器件中的一种无机发光二极管、有机发光二极管、场发射显示器、阴极射线管、垂直腔面发射激光器、液晶显示器以及电致发光器件。
全文摘要
由液晶元件(12)与反射元件(14)组成的相空间光调制器(10),能接收与调制投射于其上的基本上是100%的非偏振光,计划用于另设有光源(30)、驱动/控制电路系统(55)和可选的光学放大系统(56)的电光系统内。工作中,施加了外部激励,例如外部电源供给的电压,由此改变所通过的上述所发射光的相位,形成两束以不同方向传播的光。第一束光投射到反射元件(14)上并反射回以沿与第二束光相同的方向路径传播。
文档编号G02F1/13GK1179550SQ9711157
公开日1998年4月22日 申请日期1997年5月16日 优先权日1997年5月16日
发明者迪亚纳·陈, 非尔·莱特, 卡伦·E·加什莫维茨 申请人:摩托罗拉公司