专利名称：用于线栅格起偏器的密封外壳和用于显示系统的子组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及对敏感于环境的起偏器的保护，更特别地涉及在采用液晶光调制器的显示系统中使用的线栅格起偏器。
背景技术：
和概述采用某种类型的液晶光调制器的显示系统依靠偏振分束器(PBS)将主要为一个偏振状态的输入光引导向光调制器面板。特别地，被称为硅上液晶(LCoS)反射设备的该类光调制器(光阀)需要线偏振的照明光束。
该光调制器面板包括由反射层定义的单独的图像元或像素的阵列，位于反射层上面的液晶层，以及控制电极的行列矩阵。在被称为硅上液晶(LCoS)面板的该类反射液晶光调制器面板中，将控制电极电路合成在反射层下面的硅衬底里。
在该阵列上的入射光的偏振状态在各个像素的基础上改变，该改变依照由控制电极施加的显示信号，由加在双折射液晶上的局部电场的作用而产生。将已经改变偏振状态的光由PBS传送到投影光学器件。
在传统的系统中PBS通常是易于产生应力双折射的MacNeille棱镜类型，这是因为由照明光束加热和未加热的区域的不同的热膨胀产生了应力，并且PBS使得温度的一致性很难达到而且将导致显而易见的光学延缓的发生，从而进一步恶化了前述现象。尽管物理效应可以是很微小的，在几纳米和几十纳米的数量级上，但是随着光线偏振状态的变化，该光学结果是清晰可见的，导致了输出的不一致性。该影响在黑暗状态下是特别明显的，在标称的黑色显示屏上显示出颜色较浅的部分。
通过用液体替换棱镜中的大部分玻璃可以克服上述问题，这样就不再会出现应力双折射，并且允许通过对流来将温度梯度均匀化。一个更简单的解决方案是使用线栅格偏振分束器，如美国专利6,243,199所述的类型。该分束器具有由细的、被拉伸的元件构成的平行阵列，这些元件在透明衬底上相隔可见光的波长的数量级，该阵列与入射光波相互影响以传送一个偏振状态的光并且反射另一个偏振状态的光。相当近似地，该设备是用于微波辐射的起偏器的光学近似物，该设备事实上是相隔微波波长数量级的线阵列。
当利用光刻技术由精细划分的铝线在玻璃衬底上形成该线栅格时，与传统使用MacNeille棱镜类型的PBS的系统相比，使用线栅格偏振分束器的反射液晶显示设备能够产生更高对比度的显示图像，这一点至少部分地是由于线栅格起偏器避免了应力双折射。
遗憾的是，在预计的投影器寿命里，该铝线栅格起偏器在通常的周围气体中是不稳定的，这是由于非常细的——200nm数量级——纯铝线在与即使是微量的反应气体成分接触时对于腐蚀的敏感度导致的。氧气和水蒸气被认为是最主要的退化源，但是环境中的其他成分也有可能是退化源，特别是在城市气体中相对丰富的硫化合物。该线栅格还必须在操作中进行保护，例如可能发生在投影器组装、运行等过程中。
由于该线栅格的非常脆弱的本质以及其结构对其光学属性的严格的依赖，所以还没有开发出令人满意的保护外壳。这样，该类型PBS的优良的运行特征很容易随时间发生严重的退化，从而阻碍了该类型PBS应用于商业显示系统中。
根据本发明，将该线栅格偏振分束器密封在一个外壳中，该外壳内是非反应性气体，例如惰性气体、氮气，或者是真空。
该外壳作为同样支持其他光学组件的外壳将是有利的，该光学组件例如光调制器面板以及一个或者多个液晶显示系统的透镜。这样的外壳具有带有安装孔的表面，将PBS和其他光学组件封装在表面内。该配置方法不需要单独安装起偏器、面板和透镜，并且可以有利地用于数据显示、电影或者电视的液晶显示系统的末级子组件。
根据本发明的一个方面，一个光偏振设备包括具有透光衬底的偏振元件，对环境敏感的偏振元件，例如衬底上的线栅格偏振元件，以及包容该偏振元件的密封外壳，该外壳包含了非反应性气体以保护偏振元件不受周围环境的影响。
根据本发明的另一个方面，一个光偏振设备包括透光衬底，在衬底上的对环境敏感的偏振元件，透光保护盖板，分布在衬底的外围的多个隔板，该隔板支撑处于元件上的保护盖板，在衬底和保护盖板之间沿着该设备的外围所加的密封剂，以及充满衬底和保护盖板之间的内部空间并且保护对环境敏感偏振元件的非反应性气体。
根据本发明的第三方面，提供了用于显示设备的子组件的可密封的外壳，该可密封的外壳包括多个光学元件的安装孔。
有利地，该可密封的外壳是一个楔形的外壳，在三角形的顶部和底部之间具有三个面，每一个面具有一个光学元件或设备的安装孔。
根据本发明的另一个方面，将一个对环境敏感的偏振设备、一个光调制器面板和一个透镜封装到该可密封的外壳中以形成显示设备的子组件。
附图简述
图1A和1B分别是现有技术中的对环境敏感的偏振设备的概略的横截面视图以及本发明中密封偏振设备的一个实施例的概略的横截面视图；图2是本发明中密封偏振设备的另一个实施例的概略的横截面视图；图3是用于显示设备的光调制器子组件的可密封外壳的一个实施例的透视图；并且图4是使用图3中所述的外壳的光调制器子组件的剖面图。
发明详述图1A概略地表示在横截面上现有技术中的线栅格起偏器10，例如在美国专利6,243,199中所述的类型，该起偏器具有支撑线栅格12的透光衬底11，例如玻璃，该透光衬底11包括平行铝线，该铝线典型厚度约为200nm而且间隔约为200nm。由于该线栅格的精细结构，铝线与周围的反应将会破坏栅格结构，导致该起偏器运行特征的退化。
图1B概略地表示在横截面上本发明的密封的线栅格起偏器13的一个实施例，具有透明的光学衬底14和该衬底14上的线栅格15，该起偏器由外壳16包围。该外壳由透明材料形成，例如玻璃，并且提供有非反应性气体，例如真空或惰性气体。
铝是优选的线栅格材料。它具有高的反射率并且与目前制造这类设备标准的半导体处理实践相兼容。一种可替换铝的材料是银，它也具有高的传导率和反射率。像铝一样，银也对环境敏感，主要对于周围存在的硫化合物，也需要本发明提供的气体保护。
由于仅线栅格需要保护以不受环境影响，所以通过在隔板上放置一个透明的保护盖板来提供一个令人满意的外壳，该隔板置于衬底外围用于将保护盖板与线栅格稍稍隔离，将保护盖板密封到玻璃衬底上，并且将中间的空间抽成真空或者用惰性气体将其充满。该实施例可以有利地用于使用透射光调制器的显示设备中。
图2中表示了这样的结构，在其中密封的线栅格起偏器20包括玻璃衬底21、线栅格22、置于隔板24上并且用密封剂25密封到衬底21上的玻璃保护盖板23。密封剂25可以是对于周围和内部气体26都足够密封的任何密封剂材料，例如，室温硫化硅橡胶或者可用紫外光固化的丙烯酸粘合剂，它们都典型地运用于光学组件中。
本发明并不需要完全的密封，仅需要足够的隔绝从而阻止在该光学系统的预期寿命中线栅格元件发生退化。
在一个将线栅格起偏器用作几个光学部件或设备之一的光学设备或系统中，将这些元件或者设备中的两个或者更多个结合到一个整体的可密封的外壳上是有利的。该可密封的外壳提供了该线栅格起偏器需要的保护性环境，并且取消了单独安装各种元件或者设备的需要。
适用于液晶投影显示系统的末级子组件的这种整体的可密封的外壳30的实施例在图3的透视图中表示出来。
该楔形外壳具有三个矩形面31、32和33，每一个面都具有一个安装孔34、35和36。这三个面都在顶部和底部37和38之间，顶部和底部都是直角三角形，分别具有两个短边(371、372)和(381、382)以及一个长边(373、383)。面31在边373与383之间延伸，对应于楔形外壳30的斜边，并且具有孔34，尺寸适合安装线栅格起偏器而且其易反应表面朝内。面32在边371与381之间延伸，并且具有孔35，尺寸适合安装反射液晶光调制器面板，而且其易反应表面也朝内。面33在边372与382之间延伸，并且具有孔36，尺寸适合安装投影透镜。
在整体外壳中，将元件和设备置于适当的位置，以便形成用于反射液晶投影显示系统的光调制器子组件40，图4中的剖面图表示了该整体外壳。将线栅格起偏器41封装到面43的孔42中；将硅上液晶(LCoS)光调制器面板44封装到面46的孔45中；并且将投影透镜47封装到面49的孔48中。密封外壳的内部具有非反应性气体，例如氮气或者惰性气体，或者真空。
在一个可能的运行模式中，由箭头P表示的P偏振光通过起偏器41进入，并且入射到光调制器面板44上。反射像素阵列上的液晶层以各个像素为基础改变在该阵列上的入射光的偏振状态，该改变依照施加到反射阵列上的显示信号。该光调制器面板44包括一个四分之一波长的滞后，从而将输入的线偏振光转换成圆偏振光，并且在从光调制器反射和经过在显示设备中的液晶层的改变之后，在被传送到投影透镜47之前转换为部分线偏振光。
已经改变的光，由箭头A表示，由面板44反射回起偏器41，在那里只有由箭头S表示的一个线偏振状态的光被反射到投影透镜47。
如果运行温度过高以至于需要考虑气体膨胀，则该外壳可以包括某种减压装置，例如柔性隔膜，尽管这对于大多数系统而言不太可能发生。该外壳材料应该大小稳定以便保持需要的光学公差，并且可以是用于许多市场上的投影系统的注入成模的玻璃填充聚合物类型。该光学元件可以由通常用于光学装配的传统粘合剂来封装。
使用图3中外壳的图4中的光调制器子组件在透射-反射(‘T-R’)模式下运行，其中来自光引擎的光束经过偏振设备传送到面板，并且由面板调制的光通过投影透镜由偏振设备反射到显示屏。图4中的组件也可以按照反射-透射(‘R-T’)模式运行，其中来自光引擎的输入光束通过透镜进入，该透镜是这种模式中光引擎的最后一个元件。然后光束由偏振设备反射到面板，并且将来自面板的调制光通过偏振设备传送到子组件之外的投影透镜。
尽管对于本发明的理解是不必要的，但还是将下述专利并入本文作为参考，其中包括从美国专利6,307,607中可以找到的对于反射液晶显示设备的描述，该专利在2001年10月23日授予了Jepsen等人；美国专利5,999,321中描述了将滚动色束应用到单个面板上产生全色显示的液晶显示系统，该专利在1999年12月7日授予了Bradley等人。
该被保护的线栅格起偏器元件除了在包含反射光调制器的投影机中的应用之外，该元件还能够有利地应用于包含透射液晶光阀的投影机中。图2所示的外壳实施例可以有利地应用为具有或没有偏振转换系统的预起偏器，该预起偏器目前应用于许多市场上的投影系统。
根据有限数量的实施例必要地描述了本发明。从这份说明书中，其他实施例和实施例的变化对于该领域的技术人员而言都是显而易见的，并且都应该完全包括在本发明的范围内和附加的权利要求书中。
权利要求
1.一种光偏振设备，包括偏振元件(13)，该偏振元件(13)具有透光衬底(14)和位于该透光衬底上的、对环境敏感的偏振元件(15)，以及包围该偏振元件(13)的密封外壳(16)，该密封外壳具有非反应性气体(17)，用于保护偏振元件(15)不受周围环境的影响。
2.如权利要求1所述的光偏振设备，其中的偏振元件(15)是线栅格偏振元件。
3.一种光偏振设备(20)，包括透光衬底(21)，位于该衬底上的对环境敏感的偏振元件(22)，透光保护盖板(23)，多个分布在该设备(20)外围的隔板(24)，该隔板用于将衬底(21)上的保护盖板(23)支撑在元件(22)上方，在衬底(21)和保护盖板(23)之间延伸于该设备(20)的外围的密封剂(25)，以及在衬底(21)和保护盖板(23)之间的内部空间充满的、用于保护对环境敏感的偏振元件(22)的非反应性气体(26)。
4.如权利要求3中所述的光偏振设备，其中该偏振元件(15)是线栅格偏振元件。
5.一种在显示设备的子组件中使用的可密封外壳(30)，该可密封外壳(30)包括用于光学元件的安装孔(34、35、36)。
6.如权利要求5中所述的可密封外壳(30)，包括三角形的顶部和底部(37、38)以及在项部和底部(37、38)之间延伸的三个面部分(31、32、33)以形成楔形的外壳(30)，在每一个面部分(31、32、33)上有安装孔(34、35、36)中的一个。
7.如权利要求6中所述的可密封外壳(30)，其中顶部和底部(37、38)是直角三角形，每一个三角形分别具有两个短边(371、372)和(381、382)以及一个长边(373、383)。
8.一种用于显示设备的子组件，包括具有第一、第二和第三安装孔(42、45、48)的可密封的外壳(40)，具有对环境敏感的易反应表面的光偏振元件(41)，密封到第一个孔(42)中的光偏振元件(41)，密封到第二个孔(45)中的光调制器面板(44)以及密封到第三个孔(48)中的透镜(47)。
9.如权利要求8中所述的子组件，其中可密封外壳(40)包括三角形的顶部和底部(37、38)以及在顶部和底部(37、38)之间延伸的第一、第二和第三矩形表面部分(31、32、33)以形成楔形的外壳(30)，第一、第二和第三安装孔(42、45、48)分别位于第一、第二和第三矩形表面部分(31、32、33)上。
10.如权利要求9中所述的子组件，其中顶部和底部(37、38)是直角三角形，每一个三角形都具有两个短边(371、372)和(381、382)以及一个长边(373、383)，并且第一个表面(31)在顶部和底部(37、38)的长边(373、383)之间延伸。
11.如权利要求10中所述的子组件，其中偏振元件(41)是线栅格起偏器。
12.如权利要求8中所述的子组件，其中光调制器面板(44)是液晶光调制器面板。
13.如权利要求8中所述的子组件，其中透镜(47)是投影透镜。
全文摘要
通过将组件放入由密封外壳保持的非反应性气体中，保护了线栅格起偏器的敏感的、易反应表面不受周围环境影响而退化。该外壳可以为该起偏器、液晶光调制面板和投影透镜提供了一个完整安装系统，以形成一个用于投影显示系统的末级子组件。
文档编号G02B27/28GK1605042SQ02825358
公开日2005年4月6日 申请日期2002年11月14日 优先权日2001年12月21日
发明者R·H·凯恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司