包括多个偏振光栅布置和相关器件的偏振无关液晶显示器件

摘要

液晶器件包括第一偏振光栅（101）、第二偏振光栅（102）和液晶层（103）。第一偏振光栅（101）被配置为将入射光（190）偏振和衍射成具有不同的偏振和相对于入射光（190）的传播方向的不同传播方向的第一和第二射束（195、196）。液晶层（103）被配置为从第一偏振光栅（101）接收第一和第二射束（195、196）。液晶层（103）被配置为在基本上不影响从中穿过的第一和第二射束（195、196）的各自的偏振的第一状态与改变从中穿过的第一和第二射束（195、196）的各自的偏振的第二状态之间进行切换。第二偏振光栅（102）被配置为分析并衍射来自液晶层（103）的第一和第二射束（195、196）以响应于液晶层（103）的状态来改变它们不同的传播方向。还讨论了相关器件。

说明书

政府支持声明 

本发明是根据合同0621906在国家科学基金会（NSF）的政府支持下完成的。美国政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本发明涉及液晶显示器，并且更特别地涉及液晶偏振光栅和相关制造方法。

背景技术

液晶可以包括其中存在分子的有序排列的液体。通常，液晶（LC）分子可以是各向异性的，具有细长的（杆状）或扁平的（盘状）形状。由于各向异性的分子的排序，块体LC常常在其物理性质方面表现出各向异性，诸如在其机械、电、磁和/或光学的性质方面的各向异性。

由于杆状或盘状的属性，LC分子的取向的分布可能在光学应用中扮演重要角色，诸如在液晶显示器（LCD）中。在这些应用中，可以由配向表面来规定LC排列。可以处理配向表面以使得LC以可预测和可控的方式相对于表面排列。在许多情况下，配向表面可以保证通过LC器件的单畴。在不存在已处理的配向表面的情况下，LC可能具有许多畴和/或取向方面的许多不连续性。在光学应用中，这些畴和不连续性可能引起光的散射，从而导致显示器性能的劣化。

许多液晶器件（包括液晶显示器）可能要求输入光是偏振的以便正确地运行。然而，由于大多数光源产生非偏振光（例如，荧光灯、发光二极管、超高性能灯、白炽灯），液晶器件可以使用一个或多个线性偏振器来将来自光源的非偏振光转换成具有期望的偏振态的光。常规线性偏振器可以允许具有期望的偏振态的光从中穿过；然而，这样的线性偏振器还可以吸收具有其它偏振态的光。这样，来自光源的可用光的至少50%可能例如作为热量被损耗。因此，液晶器件可能具有显著的光功率损耗（例如，大于50%），并且因此可能要求光源比必要的功率更大。例如，由于有关功耗、热量和/或成本的原因，这可能是不期望的。

发明内容

根据本发明的某些实施例，液晶器件包括第一偏振光栅、液晶层和第二偏振光栅。第一偏振光栅被配置为将入射光偏振并衍射成具有不同的偏振且与入射光的传播方向相比具有不同的传播方向的第一和第二射束。液晶层被配置为从第一偏振光栅接收第一和第二射束，并被配置为在基本上不影响从中穿过的第一和第二射束的各自的偏振的第一状态与改变从中穿过的第一和第二射束的各自的偏振的第二状态之间进行切换。第二偏振光栅被配置为从液晶层接收第一和第二射束，并被配置为分析且衍射第一和第二射束以响应于液晶层的状态改变它们的传播方向。

在某些实施例中，可以将第二偏振光栅配置为改变第一和第二射束的传播方向以在液晶层处于第二状态时透射沿着基本上平行于入射光的方向的方向传播的光，并在液晶层处于第一状态时透射不沿着基本上平行于入射光的方向的方向传播的光。在这样的实施例中，第一偏振光栅可以具有第一周期性双折射图案，并且第二偏振光栅可以具有相对于第一周期性双折射图案倒转的第二周期性双折射图案。例如，第一偏振光栅可以是包括第一周期性向列指向矢图案的聚合液晶层，并且第二偏振光栅可以是包括第二周期性向列指向矢图案的聚合液晶层，第二周期性向列指向矢图案相对于第一向列指向矢图案具有相同周期性但被全局地旋转约180度。

在其它实施例中，可以将第二偏振光栅配置为改变第一和第二射束的传播方向以在液晶层处于第一状态时透射沿着基本上平行于入射光的方向的方向传播的光，并在液晶层处于第二状态时透射不沿着基本上平行于入射光的方向的方向传播的光。在这样的实施例中，第一和第二偏振光栅可以具有周期性相同且取向相同的各自的第一和第二周期性双折射图案。例如，所述第一和第二偏振光栅可以是包括被相似地定向的局部向列指向矢图案的聚合液晶层。

在某些实施例中，液晶器件可以包括被配置为接收从第二偏振光栅透射的输出光的角度滤波级。该角度滤波级可以被配置为阻挡以大于期望角度的角度传播的输出光并朝着屏幕引导以小于期望角度的角度传播的输出光。例如，可以将所述角度滤波级配置为允许沿着基本上平行于入射光的方向传播的输出光但阻挡不沿着基本上平行于入射光的方向传播的输出光。在某些实施例中，所述角度滤波级可以包括至少一个透镜和孔径光阑。在其它实施例中，所述角度滤波级可以是防窥膜。

在其它实施例中，入射光可以是非偏振光，并且第一偏振光栅可以被配置为衍射入射光，使得第一和第二射束分别包括可见光波长范围内的入射光的强度的大于约25%。另外，可以将第二偏振光栅配置为衍射第一和第二射束以透射包括可见光波长范围内的入射光的强度的大于约50%的光。在某些实施例中，可以将第二偏振光栅配置为在约400 nm至约700 nm的波长范围内以大于约90%的透射率来透射输出光。

在某些实施例中，液晶器件可以包括第三偏振光栅、中间层和第四偏振光栅，它们限定偏移补偿器。

可以将第三偏振光栅配置为接收并衍射来自第二偏振的第一和第二射束以改变它们各自的传播方向。可以将中间层配置为透射从中穿过的来自第三偏振光栅的第一和第二射束而基本上不改变它们各自的传播方向。可以将第四偏振光栅配置为接收并衍射来自中间层的第一和第二射束，以改变它们各自的传播方向从而提供沿着与从第二偏振光栅输出的第一和第二射束的方向基本上平行的方向传播的经偏移补偿的输出光。中间层可以具有被配置为将第三和第四偏振光栅分隔开与第二偏振和液晶层之间的距离基本上相似的距离的厚度，使得相对于从第二偏振光栅输出的第一和第二射束的空间偏移而言经偏移补偿的输出光具有减小的空间偏移。

根据本发明的其它实施例，液晶器件包括偏振光栅、液晶层和反射衬底。该偏振光栅被配置为将输入光偏振并衍射成具有不同的偏振且与输入光的传播方向相比具有不同的传播方向的第一和第二射束。液晶层被配置为接收来自第一偏振光栅的第一和第二射束。液晶层被配置为在基本上不改变从中穿过的第一和第二射束的各自的偏振的第一状态与改变从中穿过的第一和第二射束的各自的偏振的第二状态之间进行切换。反射衬底被配置为接收来自液晶层的第一和第二射束并将第一和第二射束反射回去通过液晶层和偏振光栅。偏振光栅被配置为分析并衍射来自反射衬底的反射的第一和第二射束以响应于液晶层的状态改变它们各自的传播方向从而从其提供输出光。

在某些实施例中，偏振光栅可以是第二偏振光栅，并且所述器件可以包括被配置为将入射光偏振并衍射成第一和第二射束的第一偏振光栅，所述第一和第二射束具有不同的偏振且与入射光的传播方向相比具有不同的传播方向。所述器件还可以包括被配置为从第一偏振光栅接收第一和第二射束并向第二偏振光栅提供第一和第二射束作为其输入光的透镜。

在其它实施例中，所述器件可以包括被配置为从透镜接收第一和第二射束并将第一和第二射束反射到第二偏振光栅上以向其提供输入光的反射孔径光阑。所述反射孔径光阑可以被配置为朝着屏幕透射从中通过的来自第二偏振光栅的输出光。

根据本发明的其它实施例，一种器件包括被配置为接收入射光并使光透射过其中的第一偏振光栅和被配置为从第一偏振光栅接收光且透射从中通过的输出光的第二偏振光栅，所述输出光包括具有不同偏振的第一和第二分量射束。第一和第二偏振光栅中的至少一个是被配置为在基本上不改变从中穿过的光的各自的偏振和传播方向的第一状态与改变从中穿过的光的各自的偏振和方向的第二状态之间进行切换的可切换偏振光栅。

在某些实施例中，所述第一偏振光栅可以是可切换偏振光栅。在第一状态下，可以将第一偏振光栅配置为透射从中通过的入射光而基本上不改变入射光的各自的偏振和传播方向。在第二状态下，可以将第一偏振光栅配置为将入射光偏振并衍射成第一和第二射束，所述第一和第二射束具有不同的偏振且与入射光的传播方向相比具有不同的传播方向。第二偏振光栅可以是被配置为分析和衍射来自第一偏振光栅的第一和第二射束以在第一偏振光栅处于第二状态时改变第一和第二射束的各自的传播方向的固定光栅，并且可以被配置为在第一偏振光栅处于第一状态时将入射光偏振并衍射成具有不同偏振和不同传播方向的第一和第二射束。

在其它实施例中，第一偏振光栅可以是被配置为将入射光偏振并衍射成具有不同的偏振且与入射光的传播方向相比具有不同的传播方向的第一和第二射束的固定光栅，并且所述第二偏振光栅可以是可切换偏振光栅。在第一状态下，可以将第二偏振光栅配置为透射从中通过的来自第一偏振光栅的第一和第二射束而基本上不改变它们各自的偏振和传播方向。在第二状态下，可以将第二偏振光栅配置为分析并衍射来自第一偏振光栅的第一和第二射束以改变它们各自的偏振和传播方向。

在某些实施例中，所述第一和第二偏振光栅可以具有以下这样的各自的双折射图案，所述各自的双折射图案具有相对于彼此被倒转的取向。在其它实施例中，第一和第二偏振光栅可以具有以下这样的各自的双折射图案，所述各自的双折射图案具有基本上相似的取向。

在评审以下附图和详细说明后，根据某些实施例的其它元件和/或器件将变得对于本领域的技术人员来说显而易见。意图在于使所有这样的附加的器件被包括在本说明内，在本发明的范围内，并且受到所附权利要求的保护。

附图说明

图1A和1B是举例说明根据本发明的某些实施例的多偏振光栅布置的方框图。

图1C和1D是举例说明图1A和1B的偏振光栅的局部向列指向矢取向的替换视图。

图2A和2B是举例说明根据本发明的某些实施例的包括多偏振光栅布置的直观式液晶显示器器件的方框图。

图3A是举例说明根据本发明的某些实施例的包括多偏振光栅布置的投影式液晶显示器器件的方框图。

图3B是举例说明根据本发明的某些实施例的非远心配置中的包括多偏振光栅布置和反射衬底的投影式液晶显示器器件的方框图。

图3C是举例说明根据本发明的某些实施例的远心配置中的包括多偏振光栅布置和反射衬底的投影式液晶显示器器件的方框图。

图4A和4B是举例说明根据本发明的其它实施例的包括多偏振光栅布置的投影式液晶显示器器件的方框图。

图5是举例说明根据本发明的其它实施例的包括多偏振光栅布置和偏移补偿器的投影式液晶显示器器件的方框图。

图6是举例说明根据本发明的实施例的偏振光栅布置的示例性模拟空间的图示。

图7A～7G是举例说明根据图6的模拟空间的偏振光栅布置的模拟结果的图表。

图8A～8F是举例说明根据本发明的某些实施例的偏振光栅布置的实验结果的图表。

图9A是举例说明根据本发明的某些实施例的消色差偏振光栅的图示。

图9B是举例说明从图9A的消色差偏振光栅输出的光的照片。

图10A是举例说明根据本发明的某些实施例的平行和反平行偏振光栅配置的图示。

图10B是举例说明图10A的两个偏振光栅配置的所测得的透射光谱的图表。

图10C是举例说明图10A的反平行偏振光栅布置的所测得的消光比的图表。

图11A和11B分别是举例说明根据本发明的某些实施例的液晶显示器器件的透射率和对比率的图表。

图12A～12C举例说明依照本发明的某些实施例的原型投影仪。

具体实施方式

在下文中参考附图来更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，可以以许多不同形式来实现本发明，并且不应将本发明理解为局限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开将是透彻和完整的，并将向本领域的技术人员充分地传达本发明的范围。在附图中，为了明了起见，层和区域的尺寸和相对尺寸可能被放大。相同的附图标记自始至终指示相同的元件。

应理解的是，虽然在本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语仅仅用来将一个元件、组部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区别开。因此，在不脱离本发明的讲授内容的情况下，可以将下文所讨论的第一元件、部件、区域、层或部分称为第二元件、部件、区域、层或部分。

在本文中可以为了便于说明而使用诸如“下面”、“以下”、“下”、“之下”、“之上”、“上”等的空间相关的术语来描述如图所示的一个元件或特征与另一个（些）元件或特征的关系。将理解的是，除图中所描绘的取向之外空间相关的术语意图还涵盖在使用或操作中的器件的不同取向。例如，如果图中的器件被翻转，则被描述为在其它元件或特征“以下”或“下面”或“之下”的元件将被定向为在该其它元件或特征“之上”。因此，示例性术语“以下”和“之下”可以涵盖之上和之下两个取向。所述器件可以被另外定向（旋转90度或处于其它取向），并且本文所使用的空间相关的描述语被相应地解释。另外，还将理解的是，当一个层被称为是在两个层“之间”时，其可以是两个层之间的唯一层，或者还可以存在一个或多个中间层。

本文所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的，并且并不意图限制本发明。除非上下文明确指明，否则如本文所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”意图也包括复数形式。还应理解的是，当在本说明书中使用时，术语"包括"和/或"包含"指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。如本文所使用的术语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。

将理解的是，当元件或层被称为在另一元件或层“上面”、“被连接到”、“被耦合到”或“邻近于”另一元件或层时，其可以直接在所述另一元件或层上面、被连接到、耦合到或邻近于所述另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。与此相对照，当元件被称为“直接在另一元件或层上面”、“被直接连接到”、“被直接耦合到”或“直接邻近于”另一元件或层时，不存在中间元件或层。同样地，当“从”一个元件接收或提供光时，其可以直接从该元件或从中间元件被接收或提供。另一方面，当“直接从”一个元件接收或提供光时，不存在中间元件。

在本文中参考作为本发明的理想化实施例（和中间结构）的示意图的横截面图来描述本发明的实施例。这样，由于例如制造技术和/或公差而引起的从图示形状的变化是被预期的。因此，不应将本发明的实施例理解为局限于本文所示的区域的特定形状，而是将本发明的实施例视为包括由于例如制造而引起的形状方面的偏差。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，并且其形状并不意图举例说明器件的区域的实际形状，并且并不意图限制本发明的范围。

除非另外定义，否则本文所使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的意义相同的意义。还应理解的是，诸如由公共使用的词典所定义的那些术语的术语应被解释为具有与它们在相关技术和/或本说明书的上下文中的意义一致的意义，并且不应以理想化或过度形式化的意义来进行解释，除非本文明确地这样定义。

本领域的那些技术人员将理解的是，如本文所使用的“透射”或“透明”衬底可以允许至少某些入射光从中穿过。因此，在某些实施例中，透明衬底可以是玻璃衬底。与此相对照，如本文所述的“反射”衬底可以反射至少某些入射光。并且，“可聚合液晶”可以指代能够被聚合的分子量相对小的液晶材料，并且在本文中还可以描述为“反应性液晶基元（mesogen）”。与此相对照，“非反应性液晶”可以指代不可以被聚合的分子量相对小的液晶材料。

在本文中参考液晶（LC）材料和由其组成的偏振光栅来描述本发明的实施例。如本文所使用的液晶可以具有向列相、手性向列相、近晶相、铁电相和/或其它相。另外，可以使用多种光可聚合聚合物作为配向层以产生本文所述的偏振光栅。除了是光可聚合的之外，这些材料相对于LC而言可以是惰性的，应在LC器件的工作温度范围（例如从约-50℃至约100℃）内提供稳定的排列，并且应与本文所述的制造方法相容。光可聚合聚合物的某些示例包括聚酰亚胺（例如由JSR Micro公司（加利福尼亚州桑尼维尔市）市售的AL 1254）、可从Brewer Science公司（密苏里州Rolla市）获得的Nissan RN-1199和肉桂酸（例如，如M. Schadt等人在Jpn. J. Appl. Phys.，Vol. 31 (1992)，pp. 2155-2164的“Surface-Induced Parallel Alignment of Liquid Crystals by Linearly Polymerized Photopolymers”中描述的聚乙烯4-甲氧基肉桂酸酯）。光可聚合聚合物的另一示例是由Vantico公司（加利福尼亚州洛杉矶市）市售的Staralign.TM.。其它示例包括查耳酮-环氧树脂材料，诸如由Dong Hoon Choi和同事在Bull. Korean Chem. Soc, Vol. 23, No. 4 587 (2002)的“Photo-alignment of Low-molecular Mass Nematic Liquid Crystals on Photochemically Bifunctional Chalcone-epoxy Film by Irradiation of a Linearly Polarized UV”中公开的那些，以及香豆素侧链聚酰亚胺，诸如由M. Ree和同事在Synth. Met., Vol. 117(1-3)， pp.273-5(2001)的“Alignment behavior of liquid-crystals on thin films of photosensitive polymers -- Effects of photoreactive group and UV-exposure”中公开的那些（在这些材料的情况下，LC几乎垂直于偏振方向排列）。在授予Crawford等人的美国专利No. 7,196,758中还讨论了液晶排列的方法的附加示例。此外，本文所述的某些结构可以涉及通过旋涂工艺和液晶材料的平衡进行的精确制造。在授予Escuti等人的PCT公开号WO 2006/092758中讨论了供与本发明的某些实施例一起使用的附加的结构和/或方法，其公开通过引用被整体地结合到本文中。

根据本发明的某些实施例的偏振光栅可以是透明的薄膜分束器，其周期性地改变从中穿过的光的局部偏振态和传播方向。与此相对照，常规线性偏振器可以通过将入射光转换成单偏振态而工作，从而允许具有该偏振态的光穿过其中，但是吸收具有其它偏振态的光。

根据本发明的某些实施例的偏振光栅可以具有空间变化的单轴双折射（即n(X)=[cos(πx/Λ), sin(πx/Λ), 0），并且可以提供高达100%的非零级衍射效率。如本文所使用的，“零级”光沿着与入射光的方向基本上平行的方向、即以基本上类似的入射角传播，并且在本文中也被称为“同轴”光。例如，在下面详细地描述的几个实施例中，入射光垂直于第一偏振光栅；因此，在这些实施例中，“零级”或“同轴”光也将与第一偏振光栅基本上垂直地传播。与此相对照，诸如“一级”光和/或“二级光”的“非零级光”沿着与入射光不平行的方向传播。特别地，二级光与一级光相比以相对于入射角的更大的角度传播。这样，一级和二级光在本文中被共同地称为“离轴”光。

本发明的某些实施例起因于以下这样的实现：可以使用两个平行偏振光栅的依次布置来在没有显著损耗的情况下将入射光衍射成两个零级射束，同时可以使用两个反平行偏振光栅的依次布置来在没有显著损耗的情况下将入射光衍射成两个非零级射束。如本文所使用的，“平行”偏振光栅布置包括具有相同双折射n(x)的第一和第二偏振光栅，即第一和第二偏振光栅的各自的双折射图案具有基本上类似的取向。与此相对照，“反平行”偏振光栅布置包括具有相反双折射、即n(x)和n(-x)的第一和第二偏振光栅。换言之，第二偏振光栅具有相对于第一偏振光栅的双折射图案被倒转或旋转约180度的双折射图案。

因此，本发明的某些实施例提供了包括相对于液晶（LC）层定位的两个或更多偏振光栅的偏振光栅布置。此布置可以用来提供在没有显著的偏振相关损耗的情况下直接用非偏振光和/或具有任何偏振的光进行工作的液晶显示器（LCD）器件。更特别地，第一和第二偏振光栅可以分别位于液晶层的输入端和输出端处。在这样的布置中，在本文中一般将第二偏振光栅称为“分析器”，并第二偏振光栅因此“分析”从第一偏振光栅和/或液晶层接收到的偏振光（即使其偏振）。液晶层被配置为在基本上不影响从中穿过的光的偏振的第一状态和使从中穿过的光的偏振“相反”（即将光转换成与其相反或正交的偏振）的第二状态之间进行切换。例如，液晶层可以是能够以相对高的准确度和相对宽的带宽响应于对其施加的电压而在零延迟和半波延迟之间进行电切换的可切换双折射液晶层。液晶层可以是单片的，或者可以定义包括多个像素的像素阵列。

由于根据本发明的某些实施例的偏振光栅可以用来在没有显著损耗的情况下将入射光衍射成两个射束，所以第一偏振光栅可以用来将入射光衍射成两个非零级射束（具有到每个设束中的高达50%的效率）以供输入到LC层，并且第二偏振光栅可以用来将从LC层输出的两个射束衍射回到原始入射角以响应于LC层的状态向观看屏幕提供零级输出光。在与如本文所述的角度滤波和成像装置组合时，本发明的某些实施例可以提供与常规LCD器件相比具有改善的亮度（例如，是常规LCD器件的亮度的两倍）和高对比度（高达5000:1）的LCD器件。本发明的实施例可以在投影式LCD器件（前或后，反射式或透射式）和/或直观式LCD器件两者中使用。

如本文所使用的，光栅布置的“透射率”可以指代输出光的强度除以输入光的强度，并因此包括光栅层加上所有其它层或衬底的效果。与此相对照，如本文所使用的，“衍射效率”可以指代特定衍射级的输出强度除以透射的总光强度，透射的总光强度可以被用作归一化以去除衬底和/或其它层的影响。

图1A和1B举例说明根据本发明的某些实施例的多偏振光栅布置。特别地，图1A举例说明处于第一状态下的双偏振光栅布置，在第一状态下其液晶层未被施加电压，而图1B举例说明处于第二状态下的双偏振光栅布置，在第二状态下其液晶层被施加电压。现在参考图1A和1B，双偏振光栅布置包括第一偏振光栅101、液晶层103和在被示为玻璃衬底110和115的透射衬底之间提供的第二偏振光栅102。衬底110和/或115还可以包括位于其表面上的例如由透明的氧化铟锡（ITO）涂层提供的一个或多个电极（未示出）。偏振光栅101和102包括在它们上面的各自的配向层107和108，并且液晶层103根据由配向层107和108提供的周期性排列条件被排列在偏振光栅101和102之间的单元间隙中。液晶层103包括被配置为响应于向其施加的电压在第一和第二取向之间进行切换的液晶分子。

偏振光栅101和102被配置为在没有对任何一个偏振态的显著吸收的情况下将入射光偏振和衍射成具有不同的偏振态和/或不同的传播方向的至少两个射束。例如在2008年4月16日提交的授予Escuti等人的题为“Multi-Layer Achromatic Liquid Crystal Polarization Gratings and Related Fabrication Methods”的PCT申请No. PCT/US2008/004897和/或2008年4月16日提交的授予Escuti等人的题为“Low-Twist Chiral Liquid Crystal Polarization Gratings and Related Fabrication Methods”的PCT申请No. PCT/US2008/004888中描述了可以在本发明的某些实施例中使用的偏振光栅，它们的公开由此通过引用被结合到本文中，如同其被整体地阐述一样。

偏振光栅101和/或102可以提供诸如至少三个衍射级（0、±1）、非零级的正交圆偏振和/或高度偏振敏感的非零级（其可以与斯托克斯（Stokes）参数线性地成比例）的衍射特性。例如，偏振光栅101和/或102可以是聚合液晶膜，其包括具有双折射图案的各向异性周期性分子结构，所述双折射图案被配置为以大于约50%且在某些实施例中大于约90%的衍射效率衍射入射光。特别地，在入射的圆偏振的情况下，偏振光栅101和/或102可以提供到非零级中的高达约100%的效率。在线性入射偏振或非偏振输入光的情况下，偏振光栅101和/或102可以提供到每个一级中的高达约50%的效率。在某些实施例中，偏振光栅101和/或102可以包括具有各自的周期性局部各向异性图案的多个偏振光栅层，所述多个偏振光栅层的各自的周期性局部各向异性图案相对于彼此被偏移以在它们之间限定相移和/或在它们各自的厚度上被旋转（或“扭转”）一扭转角。并且，偏振光栅层中的一个或多个可以是向列液晶层，以便提供可切换的液晶偏振光栅。

在某些实施例中，偏振光栅101和102在类型、厚度、周期性和/或分子取向方面可以是相同的。例如，偏振光栅101和102可以包括周期性分子结构以使得它们的局部双折射图案具有相同的取向，即“平行”布置。在其它实施例中，偏振光栅101和102的周期性分子结构在“反平行”布置中可以具有被相反地定向（即，被旋转约180度）的它们各自的局部双折射图案。

如图1A和1B所示，偏振光栅101和102是具有反平行布置的聚合液晶层。图1C和1D提供更详细地举例说明偏振光栅101和102的向列指向矢取向的替换视图。特别地，图1C举例说明偏振光栅101的向列指向矢取向101'，而图1D举例说明偏振光栅102的相反的向列指向矢取向102'。然而，在其它实施例中，偏振光栅101和102的分子结构可以是平行的，并且可以具有相同的周期性，但是可以被偏移以使得它们的局部各向异性图案相对于彼此被移位在约0°（度）至约180°（度）之间的角度位移或相移。

在图1A和1B中，液晶层103是其中LC分子具有垂直排列的垂直排列向列（VAN）式层。这样，当不向液晶层103施加电压时，如图1A所示，LC分子定向为与偏振光栅101和102的相邻表面垂直。当以这样的方式定向时，在本文中也称为“OFF（关）”状态，液晶层103被配置为允许光穿过其中而不显著影响其偏振态（即，具有基本上为零的延迟）。与此相对照，如图1B所示，当向液晶层103施加切换电压时，LC分子定向为与偏振光栅101和102的表面基本上平行。当如图1B所示的那样定向时，在本文中也称为“ON（开）”状态，液晶层103被配置为改变从中穿过的光的偏振态。在某些实施例中，液晶层103可以具有被配置为提供从中穿过的光的半波延迟的厚度。然而，还可以使用具有其它厚度和/或相移的液晶层。

现在将参考图1A的关状态和图1B的开状态来描述依照本发明的某些实施例的双偏振光栅布置的示例性操作。现在参考图1A，第一偏振光栅101被配置为使输入或入射光190偏振成具有不同偏振的第一和第二分量射束195和196。入射光190在某些实施例中可以是非偏振的，但是在其它实施例中可以是偏振的。在某些实施例中，第一射束195的偏振可以与第二射束196的偏振正交。例如，第一射束195可以是左旋圆偏振的，而第二射束196可以是右旋圆偏振的。第一偏振光栅101还被配置为衍射入射光190以使得第一和第二射束195和196具有与入射光190的传播方向不同的传播方向。换言之，射束195和196相对于入射光190的入射角以不同的衍射角传播。例如，可以用高达约50%的效率将入射光190衍射到衍射角处的一级射束195和196的每一个中，所述衍射角具有约±5°至约±30°、且在某些实施例中为约±20°度的范围。

如图1A所示，在关状态下，未向液晶层103施加电压。这样，液晶层103的分子的取向103a被配置为使得第一和第二射束195和196透射过其中而基本上不影响第一和第二射束195和196的各自偏振。第二偏振光栅102同样地被配置为分析并衍射从液晶层103接收到的第一和第二射束195和196。当第二偏振光栅102与第一偏振光栅101不平行时，第二偏振光栅102分别改变左射束195和右射束196的偏振以得到右旋性和左旋性射束，并改变射束195和196的各自的传播方向以透射输出光199a，输出光199a在LC层103处于关状态时被进一步衍射得远离入射光190的传播方向（即远离入射角）。更一般地，第二偏振光栅102被配置为在射束195和196从液晶层103被输出之后基于它们各自的偏振将它们衍射成不同的方向或角度。该“一级”输出光199a可以具有与输入光190的强度基本上类似的强度，但是可以被阻挡和/或以其它方式被防止透射到观看屏幕，以便提供改善的对比度，如下文更详细地讨论的。

现在参考图1B，第一偏振光栅101相似地被配置为将入射光190偏振和衍射成相对于入射光190而言具有不同的传播方向且具有不同的偏振的第一和第二分量射束195和196。例如，如上所述，第一射束195可以是左旋圆偏振的，而第二射束196可以是右旋圆偏振的。然而，由于向液晶层103施加了切换电压，因此液晶层103的分子的取向103b被配置为在第一和第二射束195和196从中穿过时改变它们各自的偏振。在上述示例中，处于开状态的液晶层103可以将左旋圆偏振射束195和右旋圆偏振射束196的偏振延迟半个波长（即180°）以提供右旋圆偏振射束195'和左旋圆偏振射束196'。第二偏振光栅102被配置为分析并衍射从液晶层103接收到的射束195'和196'。然而，由于射束195'和196'具有与从图1A中的液晶层103输出的那些圆偏振相反的圆偏振，所以与第一偏振光栅101不平行的第二偏振光栅102被配置为改变射束195'和196'的各自的传播方向以透射输出光199b，输出光199b被衍射为朝向入射光190的透射方向。特别地，如图1B所示，第二偏振光栅102将射束195'和196'重定向为相互平行，从而使得在液晶层103处于开状态时输出光199b沿着与入射光190的方向基本上平行的方向传播（即，朝向入射角）。偏振光栅102可以以高达100%的效率衍射入射的圆偏振射束195'和196'。因此，“零级”输出光199b在某些实施例中可以具有与入射光190的强度基本上类似的强度，并且由此可以在没有显著的偏振相关损耗的情况下被透射到观看屏幕以提供改善的亮度，如下文详细地讨论的。

虽然上文参考垂直排列向列（VAN）液晶层103进行了描述，但应理解的是，可以使用其它类型的液晶材料来提供液晶层103。例如，在某些实施例中，可以使用均匀平面的液晶层作为液晶层103，其中，LC分子在不施加电压时平行于偏振光栅101和102的表面被垂直排列。还可以使用其它液晶材料。这样的材料在本领域中是众所周知的，并且在本文中不需要进一步讨论。并且，虽然在图1A～1B中参考其中在透射衬底110和115之间提供有偏振光栅101和102及液晶层103的布置进行举例说明，但应理解的是，在某些实施例中可以在偏振光栅101和102之间提供透射衬底110和115及液晶层103，例如，如下文在图2A～4C中所示的。

图2A和2B举例说明如在直观式液晶显示器（LCD）器件中实现的根据本发明的某些实施例的多偏振光栅布置。特别地，图2A举例说明包括以反平行布置（即，其中，它们的向列指向矢图案具有相反的旋向性）被实现的偏振光栅201a和202a的LCD器件200a，而图2B举例说明包括以平行布置（即，其中，它们的向列指向矢图案具有相同的旋向性）实现的偏振光栅201b和202b的LCD器件200b。LCD器件200a和200b分别包括光源205、在其上面包括配向层207和208的透射衬底210和215以及位于透射衬底210和215之间并根据由配向层207和208提供的周期性排列条件而被排列的液晶层203。图2A和2B以示例的方式将液晶层203举例说明为包括两个像素；然而，在本发明的某些实施例中，液晶层203可以包括更少或更多的像素。LCD器件200a和200b还包括角度滤波级227（其包括微透镜225和226以及针孔光阑220）和观看屏幕230。光源205可以包括荧光灯、基于发光二极管（LED）的灯、背光和/或被配置为发射非偏振光290的其它光源。然而，应理解的是，在某些实施例中，可以将光源205配置为发射偏振光。角度滤波级227被配置为允许沿着基本上平行于入射光290的方向传播的输出光被成像在观看屏幕230上，但是阻挡不是沿着与入射光290平行的方向传播的输出光。

现在将描述LCD器件200a和200b的示例性操作。现在参考图2A的反平行偏振光栅布置，来自光源205的非偏振入射光290进入第一偏振光栅201a，并且被偏振和衍射成具有不同的非零级传播方向的两个正交圆偏振射束295a（左旋圆偏振）和296a（右旋圆偏振）。取决于偏振光栅201a的衍射效率，射束295a和296a可以包括可见光的所有波长（例如，从约400 nm至约700 nm），每级中几乎50%。两个射束295a和296a都穿过LC层203，其中LC层203被示为包括处于关状态的第一像素204和处于开状态的第二像素206。穿过关像素204的射束295a和296a不经历它们各自的偏振方面的变化，并且然后被第二偏振光栅202a以相对于非偏振入射光290的入射角的更大角度分析并衍射成输出光299a。然后，此离轴输出光299a被角度滤波级227阻挡以防止光299a到达观看屏幕230。这样，“暗”像素232（表示小到0%的输入光290）被呈现给观看者。

与此相对照，穿过开像素206的射束295a和296a经历半波延迟，并且两者分别被转换成相反的圆偏振295'（右旋圆偏振）和296a'（左旋圆偏振）。然后，射束295'和296a'被第二偏振光栅202a以与输入光290的原始入射角基本上相似的角度分析并衍射成输出光299b。该同轴光299b经由角度滤波级227被提供到观看屏幕230。这样，“亮”像素234（表示高达100%的输入光290的强度/亮度）被呈现给观看者。

现在参考图2B的平行偏振光栅布置，来自光源205的非偏振输入光290相似地被第一偏振光栅201b偏振和衍射成两个正交圆偏振射束295b（左旋圆偏振）和296b（右旋圆偏振）。穿过液晶层203的关像素204的射束295b和296b不经历它们各自的偏振方面的变化，而穿过开像素206的射束295b和296b经历半波延迟以分别提供具有相反的圆偏振295b'（右旋圆偏振）和296b'（左旋圆偏振）的射束。这样，由于它们的被改变的偏振，射束295b'和296b'被第二偏振光栅202b分析并衍射以透射被角度滤波级227阻挡的离轴输出光299a。与此相对照，射束295b和296b被第二偏振光栅202b分析并衍射以透射经由角度滤波级227被提供给观看屏幕230的同轴输出光299b。因此，在图2B的实施例中，关像素204提供亮像素234，而开像素206提供暗像素232。

因此，如上文参考图2A和2B所述的本发明的某些实施例可以提供亮度可以是常规LCD器件的亮度的两倍的直观式LCD器件。在某些实施例中，偏振光栅201和202可以是用来实现针对包括红光、绿光和蓝光的宽波长范围的相对高对比度的消色差偏振光栅。另外，在本发明的某些实施例中可以包括散射器（未示出）以扩展观看角。并且，在某些实施例中，可以使用阻挡离轴光但使同轴光通过的防窥膜（诸如由3M^TM公司制造的那些）作为角度滤波级227。

图3A～3C举例说明如在包括液晶微型显示器的投影系统中实现的根据本发明的某些实施例的多偏振光栅布置。特别地，图3A举例说明透射模式投影式LCD器件300a，而图3B和3C举例说明反射模式投影式LCD器件300b和300c。LCD器件300a～300c分别包括第一和第二偏振光栅301和302、在其上面包括配向层307和308的衬底305a/305b/305c和315以及位于衬底305a/305b/305c和315之间并根据由配向层307和308提供的周期性排列条件被排列的液晶层303。偏振光栅301和302具有其中偏振光栅301的双折射图案相对于偏振光栅302的双折射图案被倒转（即旋转约180°）的反平行布置。液晶层303定义以示例的方式被示出为包括两个像素的像素阵列；然而，在本发明的某些实施例中，液晶层303可以具有更少或更多的像素。LCD器件300a～300c还包括角度滤波级327（其包括投影透镜325和326及孔径光阑320）和观看屏幕330。角度滤波级327被配置为允许沿着与输入/入射光390基本上平行的方向传播的输出光（即，零级光）被成像在观看屏幕330上，但是阻挡不是沿着与入射光390平行的方向传播的输出光（即，一级和/或二级光）。

现在将描述LCD器件300a～300c的示例性操作。现在参考图3A，非偏振入射光390进入第一偏振光栅301，并且被偏振和衍射成具有不同的非零级传播方向的两个正交圆偏振射束395a（左旋圆偏振）和396a（右旋圆偏振）。由于偏振光栅301的衍射效率，射束395a和396a可以包括可见光的所有波长，每级中几乎50%。射束395a和396a两者穿过透射衬底305a和LC层303，LC层303被示出为包括处于关状态的第一像素304和处于开状态的第二像素306。穿过关像素304的射束395a和396a不经历它们各自的偏振方面的变化，并且被透射通过透射衬底315且随后被第二偏振光栅302以相对于非偏振输入光390的入射角的更大角度分析和衍射成输出光399a。此离轴输出光399a随后被角度滤波级327阻挡，从而防止光399a到达观看屏幕330。这样，表示输入光390的0%之少的“暗”像素332被观看者看到。

与此相对照，仍参考图3A，穿过开像素306的射束395a和396a经历半波延迟，并且两者都被转换成分别具有相反的圆偏振395a'（右旋圆偏振）和396a'（左旋圆偏振）。然后，射束395'和396a'被第二偏振光栅302以与输入光390的原始入射角基本上类似的角度衍射成输出光399b。该同轴（即，零级）光399b被角度滤波级327允许且被投影和成像在观看屏幕330上。这样，表示高达100%的输入光390的强度/亮度的“亮”像素334被呈现给观看者。因此，来自开像素306的几乎所有的光399b被提供给屏幕330，并且几乎没有来自关像素304的光399a被提供给屏幕330。这样，当LC层303限定包括多个像素的像素阵列时，可以使用图3A的投影仪式LCD器件300a来将可见图像投影在屏幕330上。

图3B举例说明包括反射衬底305b以代替图3A的透射衬底305a的非远心投影式LCD器件300b。现在参考图3B，非偏振入射光390相似地被偏振光栅302偏振和衍射成两个正交圆偏振射束395b（左旋圆偏振）和396b（右旋圆偏振）。在某些实施例中，与衍射方向相比，入射光390可以是平面外的。两个射束395b和396b穿过透射衬底315和LC层303。穿过液晶层303的关像素304的射束395b和396b不经历它们各自的偏振方面的变化，而是被反射衬底305b反射成相反的偏振往回通过LC层303并朝向偏振光栅302，偏振光栅302分析并衍射射束395b和396b以提供同轴输出光399b。同轴输出光399b被角度滤波级327允许，并被投影和成像在观看屏幕330上以将亮像素334呈现给观看者。

仍参考图3B，穿过开像素306的射束395b和396b经历半波延迟以提供具有相反的圆偏振的射束，具有相反的圆偏振的射束被反射衬底305反射回来，通过LC层303并朝向偏振光栅302。更特别地，图3B的LC层可以具有约为图3A的LC层的厚度的一半的厚度，并且因此可以在被反射衬底305b反射之前和之后均提供射束395b和396b的四分之一波长的延迟。偏振光栅302分析并衍射射束395b和396b以提供被角度滤波级327阻挡的离轴输出光399a，从而防止光399a到达观看屏幕330并向观看者呈现暗像素332。

图3C举例说明包括反射衬底305c以代替图3A的透射衬底305a的远心投影式LCD器件300c。现在参考图3C，非偏振入射光390相似地被第一偏振光栅301偏振和衍射成两个正交圆偏振射束395c（左旋圆偏振）和396c（右旋圆偏振）。射束395c和396c然后被透镜329a朝着反射孔径光阑345引导，反射孔径光阑345将射束反射成相反的偏振并通过透镜329b朝向第二偏振光栅302。第二偏振光栅302分析并衍射被反射孔径光阑345反射的射束395c和396c，并且射束395c和396c两者都穿过透射衬底315和LC层303。穿过液晶层303的关像素304的射束395c和396c不经历它们各自的偏振方面的变化，而是被反射衬底305c反射成相反的偏振，往回通过LC层303并朝向第二偏振光栅302，第二偏振光栅302再次分析并衍射射束395c和396c以提供离轴输出光399a。离轴输出光399a被反射孔径光阑345阻挡，从而防止光399a到达观看屏幕330并向观看者呈现暗像素332。

仍参考图3C，穿过开像素306的射束395c和396c经历半波延迟以提供具有相反的圆偏振的射束，具有相反的圆偏振的射束被反射衬底305b反射，往回通过LC层303并朝向第二偏振光栅302。更特别地，LC层303在反射衬底305c的反射之前和之后均提供射束395c和396c的四分之一波长的延迟。第二偏振光栅302再次分析并衍射射束395c和396c以提供同轴输出光399b，同轴输出光399b被反射孔径光阑345允许并被投影透镜325/326投影和成像在观看屏幕330上以向观看者呈现亮像素334。

因此，如上文参考图3A～3C所述的本发明的某些实施例可以提供亮度可以是常规LCD器件的亮度的两倍的基于投影的LCD器件。并且，偏振光栅301和/或302可以是消色差的以实现针对包括红光、绿光和蓝光的宽波长范围的相对高的对比度。虽然在图3A中被示为在偏振光栅301和302之间包括透射衬底305a和315，但应理解的是，在某些实施例中可以在衬底305a和315之间提供偏振光栅301和302，如在图1A和1B中相似地示出的那样。此外，虽然参考非偏振输入光390进行举例说明，但应理解的是，在某些实施例中，在图3A～3C的投影系统中可以使用偏振输入光。并且，可以与图3A～3C所示的布置相结合地使用众所周知的延迟补偿技术。

图4A和4B举例说明根据本发明的其它实施例的分别在投影系统400a和400b中实现的多偏振光栅布置。特别地，LCD器件400a和400b每个均包括第一和第二偏振光栅401和402、在其上面包括配向层407和408的衬底410和415以及位于衬底410和415之间并根据由配向层407和408提供的周期性排列条件被排列的液晶层403。偏振光栅401和402具有其中偏振光栅401的双折射图案与偏振光栅402的双折射图案具有相同的取向的平行布置。液晶层403限定以示例的方式被示出为包括两个像素的像素阵列；然而，在本发明的某些实施例中，液晶层403可以具有更少或更多的像素。LCD器件400a～400c还包括角度滤波级427（其包括投影透镜425和426及孔径光阑420）和观看屏幕430。角度滤波级427被配置为允许沿着与入射光490基本上平行的方向传播的输出光（即，零级光）被成像在观看屏幕430上，但是阻挡不是沿着与入射光490平行的方向传播的输出光（即，一级和/或二级光）。

在许多投影显示器设计中，同轴地提供来自光源的输入光，并且来自微型显示器的图像可以以亮场（即，零级、同轴光）或暗场（一级、离轴光）被投影透镜收集。因此，这样的设计可以将投影光学装置布置成以远心配置，以使得光与视场垂直地传播，并且可以以相对小的孔径来收集零级（即同轴）光。与此相对照，如图4A和4B所示的本发明的某些实施例通过使用投影透镜或微透镜阵列405来收集一级（即离轴）衍射光来提供改善的对比度（且因此提供改善的图像质量）。当入射光490被布置为离轴地（即以一级和/或二级角度）进入LC层403时，可以反转亮像素和暗像素配置的特性。换言之，在同轴光中可以观察到更好的对比度。

图4A举例说明还包括作为用于向液晶层403和第二偏振光栅402提供离轴光的成像源的透镜405的LCD器件400a。特别地，非偏振光490进入第一偏振光栅402，并且被偏振和衍射成具有不同的非零级传播方向的两个正交圆偏振射束495a（左旋圆偏振）和496a（右旋圆偏振）。由于偏振光栅401的衍射效率，射束495a和496a每个均可以包括红光、绿光和蓝光，每级中几乎50%。透镜405对射束495a和496a进行成像以向第二液晶层403和第二偏振光栅402中提供对称的离轴输入光。射束495a和496a两者都穿过透射衬底410和LC层403，LC层403被示出为包括处于关状态的第一像素404和处于开状态的第二像素406。穿过关像素404的射束495a和496a不经历它们各自的偏振方面的变化，并且被透射通过透射衬底415且随后被第二偏振光栅402以相对于入射非偏振光490的入射角的更大角度分析和衍射成输出光499a。此离轴输出光499a被角度滤波级427阻挡，从而防止光499a到达观看屏幕430。这样，表示输入光490的0%之少的“暗”像素432被观看者看到。

与此相对照，穿过开像素406的射束495a和496a经历半波延迟，并且两者分别被转换成相反的圆偏振495a'（右旋圆偏振）和496a'（左旋圆偏振）。然后，射束495'和496a'被第二偏振光栅402以与输入光490的原始入射角基本上类似的角度分析并衍射成输出光499b。此同轴（即，零级）光499b被角度滤波级427允许且被投影和成像在观看屏幕430上。这样，表示高达100%的输入光490的强度/亮度的“亮”像素434被呈现给观看者。

图4B举例说明在液晶层403之后布置透镜405以向第二偏振光栅402提供离轴光的类似LCD器件400b。这样，相似地如上文参考图4A所述，非偏振输入光490被第一偏振光栅401偏振并衍射成相对于入射光490而言具有不同传播方向的两个正交圆偏振射束495b（左旋圆偏振）和496b（右旋圆偏振）。射束495b和496b穿过透射衬底410和液晶层403。穿过液晶层403的关像素404的射束495b和496b不经历它们各自的偏振方面的变化，而穿过开像素406的射束495b和496b经历半波延迟以分别提供具有相反的圆偏振495b'（右旋圆偏振）和496b'（左旋圆偏振）的射束。透镜405对射束495b～496b和/或495b'～496b'进行成像以向第二偏振光栅402中提供对称的离轴输入光。射束495b和496b被第二偏振光栅402分析并衍射以提供被角度滤波级427阻挡的离轴输出光499a。射束495b'和495b'被第二偏振光栅402分析并衍射以提供同轴输出光499b，相似地如参考图4A所述的，同轴输出光499b经由角度滤波级427被提供给观看屏幕430。

因此，上文参考图4A和4B所述的本发明的某些实施例可以提供相对于常规LCD器件而言可以具有改善的对比度的基于投影的LCD器件。虽然参考非偏振输入光490进行举例说明，但应理解的是，在某些实施例中，在图4A和4B的投影系统中可以使用偏振输入光。并且，在某些实施例中，可以使用诸如在授予Escuti等人的PCT申请No. PCT/US2008/004888中描述的那些的可切换液晶偏振光栅来代替LC层403、衬底410和415以及偏振光栅402。因此，这样的实施例提供了偏振光栅401和402的依次布置，其中，偏振光栅401和402中的至少一个被配置为在基本上不改变从中穿过的光的各自的偏振和/或传播方向的第一状态与改变从中穿过的光的各自的偏振和传播方向的第二状态之间进行切换。如上文所讨论的，偏振光栅401和402中的另一个可以是被配置为对输入光进行偏振和衍射的固定的或不可切的换光栅。换言之，本发明的某些实施例可以包括两个偏振光栅的依次布置，其中的一个或多个偏振光栅可以是可切换的，并且其中的一个或多个偏振光栅可以被像素化。

图5举例说明根据本发明的其它实施例的在投影系统500中实现的多偏振光栅布置。特别地，LCD器件500包括第一和第二偏振光栅501和502、在其上面包括配向层507和508的衬底510和515以及位于衬底510和515之间并根据由配向层507和508提供的周期性排列条件而被排列的液晶层503。偏振光栅501和502具有平行布置。液晶层503限定被以示例的方式示出为包括两个像素的像素阵列；然而，在本发明的某些实施例中，液晶层503可以包括更少或更多的像素。LCD器件500还包括角度滤波级527（其包括投影透镜525和526及孔径光阑520）和观看屏幕530。角度滤波级527被配置为允许沿着与入射光590基本上平行的方向传播的输出光（即，零级光）被成像在观看屏幕530上，但是阻挡不是沿着与入射光590平行的方向传播的输出光（即，一级和/或二级光）。

仍参考图5，LCD器件500还包括在第一和第二偏振光栅501和502之后的偏移补偿器550。偏移补偿器550包括第三和第四偏振光栅551和552以及在它们之间的中间层553。中间层553具有与液晶层503与第二偏振光栅502之间的距离d基本上类似的厚度t，且在某些实施例中中间层553可以是透射衬底。偏振光栅551和552具有平行布置，以使得偏振光栅551的局部向列指向矢取向与偏振光栅552的局部向列指向矢取向具有相同的旋向性。偏移补偿器550被配置为显著减少和/或去除由偏振光栅502透射的输出光的空间偏移而基本上不改变其传播方向，并将此光提供给角度滤波级527以便在观看屏幕530上进行成像。换言之，具有中间层553（其具有厚度t）的偏移补偿器550可以改善由来自偏振光栅502的光的空间偏移引起的视差问题。

更特别地，如图5所示，非偏振输入光590被第一偏振光栅501偏振并衍射成两个正交圆偏振射束595（左旋圆偏振）和596（右旋圆偏振）。穿过液晶层503的关像素504的射束595和596不经历它们各自的偏振方面的变化，而穿过开像素506的射束595和596经历半波延迟以分别提供具有相反的圆偏振595b'（右旋圆偏振）和596b'（左旋圆偏振）的射束。射束595'和596'被第二偏振光栅502分析并衍射以透射离轴输出光599a，而射束595和596被第二偏振光栅502分析和衍射以透射同轴输出光599b。

第三偏振光栅551接收从第二偏振光栅502透射的光并分别将同轴射束599b和离轴射束599a衍射成离轴的599b'和同轴的599a'。中间层553通过厚度t将两个射束599b'和599a'透射到第四偏振光栅552，而基本不改变它们的传播方向。第四偏振光栅552分别将同轴射束599b'和离轴射束599a'衍射回离轴射束599b''和同轴射束599a''以提供与从第二偏振光栅502透射的射束599b和599a具有相同的偏振和方向、但具有减小的空间偏移的经偏移补偿的输出光。特别地，中间层的厚度产生空间偏移以补偿由液晶层503与第二偏振光栅502之间的距离d引起的导致视差问题的偏移。这样，离轴输出光599a''被角度滤波级527阻挡以向观看者呈现暗像素532，而同轴输出光599b''被滤波级527允许并投影和成像在观看屏幕530上以向观看者呈现亮像素534。

在某些实施例中，中间层553可以是与液晶层503与第二偏振光栅502之间的透明衬底515类似的衬底（即，具有相同的厚度和/或相同的折射率）。可以使第一和第二射束在中间层553内的光程长度与第一和第二射束在透明衬底515内的光程长度匹配。此光程长度可以取决于中间层553的材料的衍射角、厚度t和/或光学（折射）率。在某些实施例中，中间层553可以是诸如玻璃的各向同性且透明的介质。

图6举例说明用来提供图7A～7G的模拟数据的根据本发明的某些实施例的偏振光栅布置的示例性模拟空间。现在参考图6，在消色差偏振光栅601和602上的配向层607和608之间提供包括均质地排列的LC分子的均匀平面的液晶层603，并且在透射衬底610和615之间提供偏振光栅601和602。LC层603被配置为响应于向其施加的电压而在不提供对输入光的延迟的“关”状态与提供对输入光的半波延迟的“开”状态之间进行切换。LC层603的特性包括约1.7μm的厚度d（如沿着偏振光栅601和602的相对表面之间的方向所测量的）、约1.42的寻常折射率n₀和约0.159的线性双折射Δn。

偏振光栅601包括两个偏振光栅层601a和601b。偏振光栅层601a和601b包括具有相反旋向性的手性分子（即具有不同的左旋性和右旋性形式的不对称分子）。这样，偏振光栅层601a的分子的取向在其厚度上被旋转或“扭转”-70°的扭转角Φ以提供其局部各向异性图案中的连续相移。偏振光栅层601b的分子的取向在其厚度上被相反地扭转+70°的扭转角Φ。这样，偏振光栅601包括具有相反扭转方向的两个偏振光栅层601a和601b。偏振光栅602相似地包括分别具有-70°和+70°的相反扭转角的两个偏振光栅层602a和602b。偏振光栅601和602中的每一个的其它特性包括约l～4μm的光学节距、约1.42的寻常折射率n_o、约0.159的线性双折射Δn和反平行布置。

分别在与透射衬底610和615的界面处向偏振光栅601和602施加梯度指数防反射（AR）涂层606。可以采用使用单轴完美匹配层（UPML）技术的周期性边界611和匹配层边界612来终止模拟空间和/或减少模拟时间。输入/入射光609是具有在偏振光栅601之前的线613处提供的约550nm的中心波长λ₀的高斯脉冲，并且可以根据紧接在偏振光栅602之后的线614处的电场来计算输出衍射效率。偏振光栅601和602具有λ₀/40 = 13.75nm的栅格间距，也称为40的栅格密度N。

图7A～7G举例说明模拟结果，该模拟结果示出响应于通过改变到LC层603的施加电压来在约0°至约90°的范围上改变LC层603的分子的倾斜角θ_tilt的根据本发明的某些实施例的偏振光栅布置的衍射性质。更特别地，图7A～7F举例说明针对相对于偏振光栅601和602的相对面的分别为90°、60°、45°、30°、15°和0°的不同倾斜角（θ_tilt）的作为归一化延迟（Δnd/λ）的函数的零级、一级和二级衍射效率。零级衍射效率的和分别由图7A～7F中的波形700a～700f来表示，并指示从偏振光栅布置输出的以与输入光690的角度基本上平行的角度传播的光。同样地，在图7A～7F中，用波形701a～701f来表示一级衍射效率的和（指示从偏振光栅布置输出的以与输入光690的角度不同的角度传播的光），并且用波形702a～702f来表示二级衍射效率的和（指示从偏振光栅布置输出的以相对于输入光690的角度而言甚至更大的角度传播的光）。

如图7A所示，在包括蓝光、绿光和红光的约400 nm至700 nm的波长范围内，在LC层603处于“关”状态（即，其中θ_tilt⁼ 90°）时针对被衍射成二级的光提供相对高的衍射效率。因此，如上文所讨论的，此二级输出光可以被阻挡和/或以其它方式被防止透射到观看屏幕。与此相对照，如图7F所示，在类似的波长范围内，在LC层603处于“开”状态（即，其中θ_tilt⁼ 0°）时针对零级光提供相对高的衍射效率。此零级输出光从而可以在几乎没有偏振相关的损耗的情况下被提供给观看屏幕。图7G举例说明通过将图7A的针对θ_tilt = 90°的零级效率700a与图7F的针对θ_tilt = 0°的零级效率700f叠加的根据本发明的某些实施例的偏振光栅布置的零级衍射效率。因此，本发明的实施例可以在相对宽的光谱范围上提供增加的亮度（如700f所指示的）和高对比度（如700a所指示的）两者。

图8A～8F提供举例说明根据本发明的某些实施例的偏振光栅布置的透射谱的实验结果。特别地，图8A～8F举例说明针对包括位于两个反应性液晶基元消色差偏振光栅801和802之间的均质液晶层803（其具有半波延迟厚度）的偏振光栅布置由分光光度计测量的透射率对比波长的特性。液晶层具有约1.49的寻常折射率n_o、约0.11的线性双折射Δn和约2.8μm的厚度。偏振光栅具有约1.45的寻常折射率和约0.159的线性双折射Δn。如图8A和8B所示，波形800a和800b分别举例说明在与LC层803组装之前偏振光栅801和802的各零级透射率。这样，偏振光栅801和802以几乎100%的效率将入射光衍射成非零级光。图8F举例说明包括偏振光栅801和802的依次组合的布置的零级透射率。使用第一偏振光栅801来将入射光偏振和衍射成远离入射角，并且使用第二偏振光栅802来将光分析并衍射回到入射角以提供如波形800f所示的入射光的约80%或更大的透射率。图8C中的波形800c举例说明包括位于平行偏振光栅801和802之间的液晶层803（其具有0°的倾斜角和45°的方位角）的依照本发明的某些实施例的偏振光栅布置的零级透射率。图8D和8E同样地举例说明偏振光栅801和802的反平行布置的零级透射率特性，分别如波形800d和800e所示，其中，液晶层803具有90°和0°的倾斜角。

因此，本发明的某些实施例提供了多偏振光栅布置，其中由偏振光栅来执行衍射，但是由液晶层来执行调制。更特别地，使用偏振光栅作为衍射光学元件来控制在宽光谱范围上的透射光的方向和/或偏振态。这样的布置可以用来在使用常规液晶材料作为开关元件的同时提供在亮度和对比度方面具有显著改善的投影式和/或直观式LCD器件。下面详细地描述本发明的其它实施例。

本发明的某些实施例还允许通过用被称为偏振光栅（PG）的透明聚合物、薄膜、偏振分束器来取代常规LCD器件中的偏振器而将液晶（LC）微型显示器的光效率加倍。特别地，可以采用图9A和10A所示的消色差反应性液晶基元（可聚合LC）膜作为偏振器和分析器两者。结果是，能够将两个正交偏振（即，基本上所有非偏振光）同时地引导通过微型显示器，以使得显示器可以具有~100%的（亮度）效率（与使用偏振器时的< 50%的效率相反）。这样的“聚合物PG显示器”可能几乎不要求对商用、成品LC微型显示器的修改。图10B、10C、11A和11B提供举例说明这样的聚合物PG显示器的操作原理的实验结果，并且实验性地示出利用高达±7°的孔径针对非偏振LED光的总体~90%的效率和>200:1的对比率。另外，图12A和12B举例说明使用经修改的商用微型显示器的聚合物PG投影系统的原型。

增加的光效率和降低的功耗呈现对今天的LCD市场的挑战。自从1971年的扭转向列液晶的发明以来，LCD已经是平板显示器的主要来源。然而，LCD的效率可能由于来自偏振器的损耗（>50%）而受到限制。这是因为大多数LCD通过经由LC层的双折射和扭转来控制光偏振方向而进行工作，而最高效的光源（即CCFL和LED）产生非偏振光。存在针对无偏振器的显示器的许多不同的方法，包括LC凝胶、PDLC、H-PDLC和二元LC光栅。然而，所有这些都可能在某种或另一程度上遭受低对比率、非常窄的允许角和/或有限的峰值效率。最近，已经使用电可切换LCPG作为高效的偏振无关光调制器。此外，已经举例说明了使用LCPG的投影系统的微型显示器原型，最近使用LCOS底板。

偏振光栅由于其空间变化的单轴双折射而具有独有的衍射性质。本发明的某些实施例采用具有周期性LC分布的偏振光栅，其在实验上在整个可见光波长范围上具有>99%的衍射效率，形成在高度交联的丙烯酸盐聚合物膜中，并且其具有常规PG的相同的偏振无关性质。图9A利用白色、非偏振、输入光举例说明根据本发明的某些实施例的消色差偏振光栅（PG）901的行为（behavior）。如图9B的照片中所示，±1衍射级902和903每个均是圆偏振的，它们是正交的，并且可以具有（总共）高达100%的在其中传播的入射光。

本发明的实施例提供具有充当偏振和分析元件的消色差PG（而不是偏振器）的高效的偏振无关微型显示器（“聚合物PG LC显示器”）。图1A和1B举例说明根据本发明的某些实施例的聚合物PG LC显示器的基本几何结构和工作原理。由于不使用常规的偏振器，所以能够潜在地将显示器的光效率提高到两倍。应注意的是，可以使用孔径光阑和透镜来获得对比度以对衍射级进行过滤。然而，可能不需要微型显示器的修改。

如在常规LCD中一样，LC开关引起光调制。第一PG在一级中输出圆偏振，其旋向性受到LC开关和第一与第二PG之间的相对取向的影响，如图1A和1B所示。第二PG基于来自第一PG的光的偏振旋向性或者将光衍射成更大的角度，或者将其朝着法线方向引导。虽然在图1A和1B中被示为具有PG的反平行排列，但应理解的是，本发明的实施例可以包括PG的平行排列和/或其它变化设计。

图10A举例说明根据本发明的实施例的平行1001和反平行1002 PG配置，其在下文中被描述以突出用于亮度和对比率的上限。为了实验示范，一对消色差PG针对红色、绿色和蓝色LED光以高效率（>98%）进行采样（对于绿光而言，光栅周期= 4 μm，允许角为±7°）。前面已经描述了这些光栅的制造方法和光学性质。平行1001和反平行1002取向几乎分别等效于显示器的亮状态和暗状态。图10B举例说明针对非偏振输入光的两种配置的真实（测量）透射谱。波形1003显示平行PG可以显示出约90%的透射率，而波形1004显示对于可见光（400～700 nm）而言反平行PG可以泄漏小于约0.5%。波形1005举例说明反平行偏振器的透射谱。图10C的波形1006显示根据本发明的某些实施例的反平行PG布置1002（类似于交叉起偏振器）的测得的消光比≥ 200，并且在红光中具有~500的峰值。应注意的是，使用具有防反射涂层的玻璃来减少菲涅耳损耗。

还用具有常规LC单元（具有垂直排列（VA）模式）的单个整体像素来展示电光开关。如图1A和1B所示，两个消色差聚合物PG以反平行取向与LC单元对准，LC单元控制穿过它的光的偏振。更特别地，当施加相对高的电压（～5V）时，VA模式的LC单元将由于其主要地为平面的排列而呈现出半波延迟，并将因此使（从第一PG）（同时地）穿过它的两个射束的偏振反向。然后，此光将被第二PG朝着法线方向引导，如图1B所示，并随后被投影到屏幕/观看者。然而，当不向VA模式的LC单元施加电压时，其几乎不呈现出延迟，并且从第一PG进入LC层的光将保持其原始偏振（同时地）并被第二PG衍射至甚至更大的角度，如图1A所示。

在图11A和11B的图表中分别呈现了根据本发明的某些实施例的聚合物PG LC显示器中的三个LED色彩（非偏振的！）的透射率和对比率。特别地，在图11A中示出了针对红色1101（625 nm）、绿色1102（530 nm）和蓝色1103（470 nm）非偏振LED的亮状态透射率，而在图11B中示出了针对三个LED 1101、1102和1103的对比率（亮/暗）。图11A中的虚线1105举例说明同一配置下的交叉偏振器LC像素的估计透射率。如图11A所示，根据本发明的某些实施例的聚合物PG LC调制器的对非偏振光的真实透射率≥ 80%，比常规的基于偏振器的显示器的透射率的两倍还要大，同时仍保持适度的对比率（200：1至500：1），如图11B所示。

为了确认聚合物PG显示器的成像性质，依照本发明的某些实施例，使用具有消色差PG膜的商用LC微型显示器面板（Iljin显示器，0.41''VGA、平面排列模式）来构建原型投影仪，如图12A-12C所示。使用黄金眼LED光源，其支持彩色顺序制显示操作，并且从商用微型显示器去除了偏振器。根据本发明的某些实施例的PG膜被布置成反平行配置并沿着光栅方向。在图12A中示出了系统1200的总体几何结构，并且在图12B中示出了系统1200的照片。系统1200的元件可以对应于图3A的系统300a中所示的类似元件。在具有小空间偏移的投影图像中观察到视差，这可能归因于成像平面与第二PG之间的距离（玻璃厚度）。在某些实施例中，可以通过在LC单元内部插入第二PG来避免此视差问题。替换解决方案是在第二PG之后布置与玻璃具有相同的间隙厚度的两个附加的平行PG（与已经选择的PG类似或相同），这可以完美地补偿空间偏移，如上文参考图5的实施例所述的。

聚合物PG显示器对亮像素进行投影，其可以是基于偏振器的显示器的高达两倍之亮。图12C提供了来自原始显示器1204和根据本发明的某些实施例的聚合物PG显示器1205的投影图像的比较，其等效地显示出清晰的边缘和优良的图像聚焦。应注意的是，在图12C的聚合物PG显示图像1205中看到的色彩劣化和低图像对比度可能是由于在这些初始测试中缺少任何延迟补偿（其连同偏振器一起被从原始显示器去除）而引起的，该延迟补偿将被集成在产品显示器中。

因此，根据本发明的某些实施例的聚合物PG显示器可以通过使用衍射性的透明聚合物薄膜来改善LC微型显示器的光效率。（未修改的）商用LC微型显示器的亮度可以被大致加倍，并且可以使用标准的集光率受限的光源。由于系统的高效率，本发明的实施例可以针对在便携式投影仪中的使用。

前述内容对本发明而言是示例性的且不应理解为是其限制。虽然已描述了本发明的几个示例性实施例，但本领域的技术人员将很容易认识到，在实质上不脱离本发明的新型讲授内容和优点的情况下，可以在示例性实施例中进行许多修改。例如，应理解的是，可以使用不可切换的和/或可切换的LC材料来制造上文参考图1-12所述的偏振光栅。此外，本文所述的衬底可以在其表面上包括例如由衬底上的透明氧化铟锡（ITO）涂层提供的一个或多个电极。因此，所有这样的修改意图被包括在本发明的范围内。因此，应理解的是，前述内容对本发明而言是示例性的，并且不应将其理解为局限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其它实施例的修改意图被包括在本发明的范围内。