專利名稱：具有大傾角和高對比度的垂直配向向列型液晶顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及液晶顯示器(LCD)，更具體而言，涉及反射型硅基液晶(LCOS)顯示器。
背景技術(shù)：
液晶顯示器技術(shù)已將顯示器的尺寸從全部屏幕尺寸減小到小于1.3英寸對角線尺寸的小型顯示器(minidisplay)，以及需要放大系統(tǒng)的微型顯示器(microdisplay)。微型顯示器可以利用半導(dǎo)體集成電路(IC)動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)工藝技術(shù)來制造，例如硅基液晶(LCOS)技術(shù)。LCOS微型顯示器由具有反射表面的硅襯底背板、蓋玻璃(cover glass)以及插入的液晶層構(gòu)成。LCOS微型顯示器設(shè)置為以多行和多列排布的像素的矩陣，其中一行和一列的交叉點(diǎn)定義了矩陣中一個像素的位置。對于入射光，每個像素是反射鏡上方的一個液晶單元(liquid ctystal cell)。通過改變以所述層中任意點(diǎn)的液晶指向矢(director)的傾角和扭轉(zhuǎn)角為特征的所述層中液晶的分子取向，可以使入射光改變其偏振狀態(tài)。硅背板是像素的陣列，通常為7至20微米(μm)的間距。每個像素具有占據(jù)大部分像素區(qū)域的鏡面。該鏡面也是與液晶顯示器蓋玻璃電極一起形成像素電容器的電導(dǎo)體，所述蓋玻璃電極是蓋玻璃內(nèi)面(液晶側(cè))上的透明導(dǎo)電涂層。該透明導(dǎo)電涂層通常為氧化銦錫(ITO)。由于每個像素電容器被充電到一定的電壓值，像素電容器的極板之間的液晶流體改變了其分子取向，這影響到入射到像素的光的偏振狀態(tài)(從像素鏡面的反射)。
反射型LCOS微型顯示器具有高的孔徑比，因此能夠提供比透射型液晶顯示器更高的亮度。這些LCOS微型顯示器的主要應(yīng)用是家庭影院應(yīng)用，例如投影機(jī)、以及前后投影電視(大屏幕)。對于這些應(yīng)用，高的對比度是非常重要的。高對比度取決于液晶顯示器中使用的液晶光學(xué)模式。通常，垂直配向向列(VAN)模式是能夠獲得非常高的對比度的光學(xué)模式之一，許多液晶顯示器制造商已開始將這種特定的光學(xué)模式用于他們的顯示器中。
預(yù)傾角(pretilt angle)被定義為在邊界表面處液晶指向矢的傾角。在VAN模式液晶顯示器中，預(yù)傾角較小，所以在沒有電場施加到顯示器上時，液晶流體的分子取向幾乎垂直于基板表面。因此，垂直于顯示器基板的入射的線性偏振光在其穿過液晶層時經(jīng)歷較小的雙折射。因此這種正常入射的線性偏振光在其穿過液晶流體時，經(jīng)歷極小的相位延遲，包括從顯示器的底部反射基板被反射回來。這樣就在利用交叉偏振器(crossed polarizer)(例如，偏振分束器-PBS)時提供了非常暗的“關(guān)”(“OFF”)狀態(tài)，由此獲得非常高的對比度。在將電場施加到液晶流體時，液晶流體的塊體(bulk)中的分子朝向由基板表面上的配向?qū)铀x的方向取向，由此增大液晶流體層的延遲。因此，線性偏振的入射光在其進(jìn)入到液晶流體中時開始經(jīng)歷相位延遲，然后從顯示器的底部反射基板被反射回來。由此，出射的光(反射光)的偏振狀態(tài)將為橢圓的并且某些光開始穿過交叉偏振器。增大電場會增大這種效應(yīng)直至獲得最亮的狀態(tài)。
在通常的VAN模式中，基板表面處的液晶流體的分子取向由每個基板表面上的配向?qū)铀薅?。該取向由預(yù)傾角和表面方位角方向(surfaceazimuthal direction)來描述，所述表面方位角方向平行于液晶指向矢到基板表面上的投影?？拷敳颗湎?qū)拥囊壕Я黧w分子的方位角方向預(yù)靠近底部配向?qū)拥囊壕Я黧w分子的方位角方向相反，即反平行。如圖1a和1b所示，由配向?qū)铀x的方位角方向與進(jìn)入的線性偏振入射光的偏振方向呈45度角。通常，VAN模式顯示器中的分子的預(yù)傾角需要保持較小，例如，小于4度，從而獲得非常暗的“關(guān)”狀態(tài)，由此得到高對比度。盡管該預(yù)傾角足夠大從而防止顯示器中的反向傾斜域，但仍然無法克服由于相鄰像素之間的邊緣場所產(chǎn)生的缺陷。當(dāng)像素尺寸如通常在LCOS微型顯示器中那樣變小時，邊緣場變得非常重要。例如，LCOS微型顯示器的尺寸可以沿對角線方向量度一英寸并具有約12μm×12μm的像素尺寸。當(dāng)需要高分辨率時，例如，數(shù)字影院應(yīng)用時，可以將像素尺寸進(jìn)一步減小到約9μm×9μm或者更小。在這種情況下，邊緣場非常顯著且液晶不會沿著由配向?qū)拥膬A斜方向所定義的方向排列。這最終會在像素邊界處產(chǎn)生缺陷，即通常所說的向錯(disclination)。在一個像素處于“開”狀態(tài)而相鄰像素處于“關(guān)”狀態(tài)時，邊緣場非常強(qiáng)，這種效應(yīng)非常明顯。
為了克服以上問題，有必要增大基板表面上的配向?qū)铀a(chǎn)生的預(yù)傾角。在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)確定，為克服所述邊緣場效應(yīng)，預(yù)傾角必須至少為8度。然而，具有這種量值預(yù)傾角的VAN模式液晶顯示器的暗狀態(tài)具有通過交叉偏振器的顯著的光泄漏量，并且能夠獲得的光對比度也不那么高。因此，VAN顯示器的固有性質(zhì)決定了不能夠完全實(shí)現(xiàn)非常暗的“關(guān)”狀態(tài)。這是由于液晶流體的高預(yù)傾角所致的線性偏振入射光所經(jīng)歷的非零雙折射。因此，必須使用諸如附加外部延遲器(retarder)的其它方法來終止這種光泄漏。通常，這是被所有VAN液晶顯示器制造商所使用以解決以上問題的現(xiàn)有方法(current method)。

發(fā)明內(nèi)容
通過提供具有足夠克服邊緣場所致的向錯的預(yù)傾角并同時獲得高對比度的系統(tǒng)、方法和設(shè)備，本發(fā)明克服了以上指出的問題以及現(xiàn)有技術(shù)的其它缺點(diǎn)和不足。
在通常的VAN光學(xué)模式中，表面方位角方向與進(jìn)入的線性偏振入射光的偏振方向呈45度。因此，存在由進(jìn)入的入射光所經(jīng)歷的有效雙折射，并且雙折射隨著預(yù)傾角的增大而增大，由此增大光泄漏量。
如果將圖1a所示的顯示器相對于入射的線性偏振光旋轉(zhuǎn)45度，即，使液晶流體分子的表面方位角方向平行或者垂直于進(jìn)入的入射線性偏振光的偏振方向，則光泄漏最小，因?yàn)橛蛇M(jìn)入的入射線性偏振光所經(jīng)歷的有效雙折射為0并且其不依賴于液晶流體分子的預(yù)傾角。然而，，因?yàn)橛捎诤鸵陨纤f明的相同的原因，“開”狀態(tài)不亮，所以這種構(gòu)造不能用于實(shí)際的應(yīng)用。但是這一特征被有利地用于本發(fā)明，即，頂部和底部基板所產(chǎn)生的表面方位角方向被設(shè)定為基本上彼此垂直。同時，一個基板所產(chǎn)生的表面方位角方向垂直/平行于進(jìn)入的線性偏振光的偏振方向而自另一基板的表面方位角方向是平行/垂直與所述偏振方向。實(shí)質(zhì)上，這是在“關(guān)”狀態(tài)下的90度扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。因?yàn)橐壕拥拇蠖鄶?shù)分子不會使其方位角方向定向成與進(jìn)入的入射線性偏振光的偏振方向呈45度角，所以與其中所有分子具有相同的傾角并且所有分子的表面方位角方向均定向?yàn)榕c相對于進(jìn)入的線性偏振光的偏振方向呈45度的VAN結(jié)構(gòu)相比，進(jìn)入的入射線性偏振光所經(jīng)歷的有效雙折射最小。因此，在本發(fā)明中，即使預(yù)傾角足夠大從而去除由于邊緣場所致的向錯時，光泄漏也非常小。
本發(fā)明的光學(xué)模式的一個重要的技術(shù)特征發(fā)生在“開”狀態(tài)。在“開”狀態(tài)，本發(fā)明與常規(guī)的90度扭轉(zhuǎn)向列(TN)模式表現(xiàn)不同，并且本發(fā)明給出了在使用PBS的液晶顯示器應(yīng)用中所需的非常好的亮狀態(tài)。在常規(guī)的90度TN模式中，線性偏振光在進(jìn)入以及從液晶層出來時，均被扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)所“導(dǎo)向”，這將引起具有PBS的暗狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明，不必在顯示器的液晶流體中添加手性的摻雜劑(chiral dopant)就可以實(shí)現(xiàn)亮的“開”狀態(tài)。
盡管在底部和頂部基板處的液晶流體分子的表面方位角方向產(chǎn)生了90度的扭轉(zhuǎn)，但是在“開”狀態(tài)下，這種光學(xué)模式不會表現(xiàn)得像常規(guī)的90度扭轉(zhuǎn)向列模式那樣。另一方面，本發(fā)明在“關(guān)”狀態(tài)下不會表現(xiàn)得像VAN模式顯示器那樣。本發(fā)明比具有相同預(yù)傾角的常規(guī)VAN模式顯示器產(chǎn)生黑得多的狀態(tài)。因此，本發(fā)明既不是VAN模式顯示器，也不是常規(guī)的90度扭轉(zhuǎn)向列模式顯示器。
可以通過控制施加到液晶層的電壓來獲得灰度級(gray scale)，例如通過偏振器的在“開”和“關(guān)”強(qiáng)度中間的光強(qiáng)度。在交叉偏振器(或PBS)結(jié)構(gòu)中，增大電壓增大了傳到輸出端的光，直至某一最佳的亮狀態(tài)電壓。該最佳亮狀態(tài)電壓的值取決于液晶材料的參數(shù)、單元間隙、預(yù)傾角和有關(guān)的光波長范圍。該電壓能夠在實(shí)驗(yàn)上被確定。此外，通過控制液晶顯示器在“開”狀態(tài)的時間以及在“關(guān)”狀態(tài)的時間，能夠控制觀察到的灰度級。另外，利用比如濾色器的本領(lǐng)域公知的方法，利用在三面板系統(tǒng)中每一個對應(yīng)一種顏色的三個顯示器，或者利用場序彩色(FSC)系統(tǒng)，可以產(chǎn)生彩色。
液晶流體的厚度(d)(頂部和底部基板的內(nèi)面之間的距離)可以例如是約3.5μm+/-0.2μm。雙折射率(Δn)可以例如在45℃約為0.0830。用于本發(fā)明的液晶流體是向列型的并具有負(fù)介電各向異性Δε(＝ε//-ε⊥＜0)，其中ε//和ε⊥是液晶材料的介電常數(shù)的水平分量和垂直分量(對于液晶分子)。所預(yù)期的并且在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的是，可以使用厚度(d)和雙折射率(Δn)的任意組合，只要滿足條件Δn·d＞λ/4，其中λ是入射到顯示器上的光的波長。
可以將為VAN顯示器所開發(fā)的任何液晶流體用于本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明，不必在液晶流體中引入手性摻雜劑。典型的液晶流體例如但不限于是由Merck所制造的MLC-6608、MLC-6609和MLC-6610。用于VAN顯示器的液晶材料的物理特性是負(fù)介電各向異性，即介電常數(shù)的垂直分量大于其水平分量。因此，在施加電場時，液晶流體的分子將排列成垂直于電場方向。例如，介電各向異性可以約為Δε＝-3.1至-4.2。雙折射率可以為約0.0777至0.0996，并且向列相到各向同性相的相變溫度可以在80℃以上。
本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于，利用這種光學(xué)模式能夠具有黑得多的“關(guān)”狀態(tài)，即使與具有相同預(yù)傾角的VAN模式顯示器相比具有相對高的預(yù)傾角，也可由此具有高對比度。由于高的預(yù)傾角，基本不會由于在像素邊界處橫跨相鄰像素的邊緣場而產(chǎn)生向錯缺陷。另一技術(shù)優(yōu)勢在于，由于本發(fā)明的非常好的暗狀態(tài)，不需要外部延遲器來阻擋光泄漏。
在具有McNeil型偏振分束器的投影應(yīng)用中，對于每個彩色波道(RGB)存在系統(tǒng)延遲器，其通常是四分之一波片，以補(bǔ)償折曲光線。當(dāng)在這樣的應(yīng)用中采用規(guī)則VAN模式顯示器時，該系統(tǒng)延遲器也能夠用于停止光泄漏。實(shí)質(zhì)上，其將成為折曲光線補(bǔ)償與光泄漏之間的折中狀態(tài)。然而，這對于產(chǎn)生適度光泄漏量的藍(lán)色波道并不能起到很好的作用。因此，藍(lán)色波道的對比度通常低于其它兩波道(紅色和綠色)。實(shí)際上，如實(shí)驗(yàn)所示，用于停止光泄漏的適當(dāng)?shù)难舆t器是具有約50納米或更小的低延遲值的延遲器。難以找到并且不容易在商業(yè)上得到這樣的具有良好均勻度的延遲器。根據(jù)本發(fā)明，由于在可見光譜區(qū)域非常暗的“關(guān)”狀態(tài)并且系統(tǒng)延遲器可以只用于補(bǔ)償折曲光線，所以不存在這樣的問題。并且，藍(lán)色波道也不會遭受低的對比度。
某些光學(xué)結(jié)構(gòu)不需要折曲光線補(bǔ)償。這種類型結(jié)構(gòu)的一個實(shí)例是其中線格柵(wire-grid)偏振分束器用于分離輸入和輸出光束路徑的結(jié)構(gòu)。這種線格柵分束器由Orem，Utah的Moxtek Inc.所制造。因此，對于這樣的應(yīng)用，本發(fā)明是有優(yōu)勢的，因?yàn)槟軌蛳郊油獠垦舆t器的額外成本。
本發(fā)明涉及反射型液晶顯示器，包括基本透明的第一基板；基本是反射性的并且基本平行于所述第一基板的第二基板；以及，具有雙折射率(Δn)和負(fù)介電各向異性的液晶流體，其中所述液晶流體在所述第一和第二基板之間；所述第一基板具有靠近所述液晶流體的第一液晶配向?qū)?，其中靠近所述第一液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第一預(yù)傾角以及第一方位角方向；所述第二基板具有靠近所述液晶流體的第二液晶配向?qū)樱渲锌拷龅诙壕湎驅(qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第二預(yù)傾角以及第二方位角方向，所述第二方位角方向基本垂直于所述第一方位角方向。
線性偏振入射光的偏振方向可以近似平行于第一表面方位角方向。線性偏振入射光的偏振方向可以近似垂直于第一表面方位角方向。
可以通過將所述第一和第二基板之間的電場從基本沒有電場改變到具有最佳值的電場來產(chǎn)生灰度梯度。
本發(fā)明還涉及反射型液晶顯示器，包括基本透明的第一基板；基本是反射性的并且基本平行于所述第一基板的第二基板；以及，具有雙折射率(Δn)和負(fù)介電各向異性的液晶流體，其中所述液晶流體在所述第一和第二基板之間；所述第一基板具有靠近所述液晶流體的第一液晶配向?qū)?，其中靠近所述第一液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第一預(yù)傾角以及第一方位角方向；所述第二基板具有靠近所述液晶流體的第二液晶配向?qū)樱渲锌拷龅诙壕湎驅(qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第二預(yù)傾角以及第二方位角方向，所述第二方位角方向基本垂直于所述第一方位角方向；其中當(dāng)在所述第一和第二基板之間施加電場時，所述液晶流體的相當(dāng)數(shù)目的分子增大了其傾角，并且當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體的相當(dāng)數(shù)目的分子使其方位角方向基本垂直于所述第一和第二基板；由此，當(dāng)在所述第一和第二基板之間施加電場時，所述液晶流體將所述第一基板處的線性偏振入射光在所述第二基板時的近似圓形偏振的入射光，其中所述第二基板將所述近似圓形偏振的入射光反射回來使其成為相反手性的近似圓形偏振的光，其中所述液晶流體將該近似圓形偏振的反射光變成在所述第一基板時的近似線性偏振的反射光，使得在所述第一基板處所述線性偏振入射光和所述線性偏振反射光的偏振方向近似垂直，并且由此，當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體基本不改變穿過該液晶流體的光的偏振，并且在所述第一基板處所述線性偏振入射光和所述線性偏振反射光的偏振方向基本平行。
可以以多個第一時序(first times)在所述第一和第二基板之間施加電場，可以以多個第二時序(second times)在所述第一和第二基板之間基本不施加電場，其中所述第一和第二時序可以被改變從而產(chǎn)生灰度梯度。所述第一和第二時序也可以被改變從而產(chǎn)生場序彩色(field sequential color)。
本發(fā)明涉及一種用于反射型液晶顯示器的方法，所述方法包括以下步驟設(shè)置基本透明的第一基板；設(shè)置基本是反射性的并且基本平行于所述第一基板的第二基板；以及，在所述第一和第二基板之間設(shè)置具有雙折射率(Δn)和負(fù)介電各向異性的液晶流體；在所述第一基板上設(shè)置第一液晶配向?qū)樱龅谝灰壕湎驅(qū)涌拷鲆壕Я黧w，其中靠近所述第一液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第一預(yù)傾角以及第一方位角方向；在所述第二基板上設(shè)置第二液晶配向?qū)?，所述第二液晶配向?qū)涌拷鲆壕Я黧w，其中靠近所述第二液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第二預(yù)傾角以及第二方位角方向，所述第二方位角方向基本垂直于所述第一方位角方向；使得當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體不改變從中穿過的光的偏振狀態(tài)，并且在所述第一基板處線性偏振入射光和線性偏振反射光的偏振方向基本平行，當(dāng)在所述第一和第二基板之間施加最佳值的電場時，所述液晶流體將所述第一基板處的線性偏振入射光改變成在所述第二基板時的近似圓形偏振的入射光，其中所述第二基板將所述近似圓形偏振的入射光反射回來使其成為相反手性的近似圓形偏振的光，其中所述液晶流體將該近似圓形偏振的反射光變成在所述第一基板時的近似線性偏振的反射光，使得在所述第一基板處所述線性偏振入射光和所述線性偏振反射光的偏振方向近似垂直，并且當(dāng)在所述第一和第二基板之間施加小于所述最佳值的電場時，所述液晶流體在所述入射線性偏振光穿過所述液晶流體并從所述第二基板被反射回來時將其偏振狀態(tài)變成橢圓偏振光。
通過在所述第二基板處將入射光的偏振狀態(tài)從近似線性偏振變成橢圓偏振，改變所述第一和第二基板之間的電場可以被用來產(chǎn)生灰度梯度，并且當(dāng)基本不存在電場時，在所述第二基板處入射光的偏振是近似線性的。
本發(fā)明還涉及一種用于反射型液晶顯示器的方法，所述方法包括以下步驟設(shè)置基本透明的第一基板；設(shè)置基本是反射性的并且基本平行于所述第一基板的第二基板；以及，設(shè)置具有雙折射率(Δn)和負(fù)介電各向異性的液晶流體，其中所述液晶流體在所述第一和第二基板之間；在所述第一基板上設(shè)置第一液晶配向?qū)樱龅谝灰壕湎驅(qū)涌拷鲆壕Я黧w，其中靠近所述第一液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第一預(yù)傾角以及第一方位角方向；在所述第二基板上設(shè)置第二液晶配向?qū)?，所述第二液晶配向?qū)涌拷鲆壕Я黧w，其中靠近所述第二液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第二預(yù)傾角以及第二方位角方向，所述第二方位角方向基本垂直于所述第一方位角方向；其中當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體的相當(dāng)數(shù)目的分子定向?yàn)榛敬怪庇谒龅谝缓偷诙澹徊⑶耶?dāng)在所述第一和第二基板之間施加電場時，所述液晶流體的相當(dāng)數(shù)目的分子改變傾角以朝向平行于所述第一和第二基板；由此，當(dāng)在所述第一和第二基板之間施加電場時，所述液晶流體將所述第一基板處的線性偏振入射光改變成在所述第二基板時的近似圓形偏振的入射光，其中所述第二基板將所述近似圓形偏振的入射光反射回來使其成為相反手性的近似圓形偏振的光，其中所述液晶流體將該近似圓形偏振的反射光變成在所述第一基板時的近似線性偏振的反射光，使得在所述第一基板處所述線性偏振入射光和所述線性偏振反射光的偏振方向近似垂直，并且由此，當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體基本不改變穿過該液晶流體的光的偏振狀態(tài)，使得在所述第一基板處所述線性偏振入射光和所述線性偏振反射光的偏振方向基本平行。
本發(fā)明還涉及一種反射型液晶顯示器組件，包括基本透明的第一基板；基本平行于所述第一基板的基本是反射性的第二基板；以及，具有雙折射率(Δn)和負(fù)介電各向異性的液晶流體，其中所述液晶流體在所述第一和第二基板之間；分別在所述第一和第二基板上的第一和第二液晶配向?qū)?，其中靠近所述第一和第二液晶配向?qū)拥乃隽黧w的分子具有有限的預(yù)傾角并分別定向在第一和第二方位角方向；其中將所述組件配置為使得(i)當(dāng)基本沒有電場施加在所述基板之間時，相當(dāng)數(shù)目的流體分子定向?yàn)榛敬怪庇谒龌澹?ii)當(dāng)在所述基板之間施加最佳值的電場時，相當(dāng)數(shù)目的流體分子的傾角增大；以及(iii)當(dāng)在所述基板之間施加小于最佳值的電場時，相當(dāng)數(shù)目的流體分子定向成中間傾角。
從以下的附圖、說明以及權(quán)利要求中，本公開的其它技術(shù)優(yōu)勢將對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言更加明了。本發(fā)明的各個實(shí)施例僅實(shí)現(xiàn)了所闡述的優(yōu)點(diǎn)的子集。對于本發(fā)明而言，沒有一個優(yōu)點(diǎn)是決定性的。


通過結(jié)合附圖參考以下描述，可以獲得對本公開及其優(yōu)點(diǎn)的更全面的理解，其中圖1a和1b分別是現(xiàn)有技術(shù)的VAN模式液晶顯示器在“關(guān)”狀態(tài)和“開”狀態(tài)的示意性表示圖；圖2是液晶顯示器的一部分的示意性前視圖，示出了液晶流體中的示例性分子的方位角方向和預(yù)傾角；
圖3a和3b分別是根據(jù)本發(fā)明的液晶顯示器在“關(guān)”狀態(tài)和“開”狀態(tài)的示意性表示圖；以及圖4是根據(jù)本發(fā)明在“關(guān)”和“開”狀態(tài)下的液晶流體分子的傾角和方位角的曲線的集合，所述液晶流體分子的傾角和方位角是基板之間的分子位置的函數(shù)。
盡管本發(fā)明可以經(jīng)受各種修改以及替換形式，但是其特定的示例性實(shí)施例已在附圖中通過實(shí)例的方式而被示出，并在此處被詳細(xì)地描述。然而，應(yīng)理解的是，此處對于特定實(shí)施例的描述并非意于將本發(fā)明限制到所公開的具體形式，相反，本發(fā)明涵蓋了落入由權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物以及替換。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種反射型液晶微型顯示器，該顯示器包括由存儲在電容器中的電壓值所控制的具有光調(diào)節(jié)特性的液晶流體的像素矩陣，所述液晶流體包括代表液晶微型顯示器的像素矩陣中的像素的區(qū)域。所述液晶流體的分子具有表面方位角方向，該表面方位角方向近似平行于或者垂直于進(jìn)入的線性偏振入射光的偏振方向。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)處于“關(guān)”狀態(tài)時(像素電容器上沒有電場)，液晶流體的分子具有剛好足夠使邊緣場所致的向錯最小化的預(yù)傾角(從基板面的垂直方向測量)。在透明基板處的液晶流體分子的方位角方向與在反射基板處的液晶流體分子的方位角方向約呈90度。這樣的結(jié)構(gòu)造成了處于“關(guān)”狀態(tài)時非常暗的狀態(tài)，從而導(dǎo)致高的對比度。
由于材料的負(fù)介電各向異性(見圖4)，向液晶層施加電壓改變了該層的塊體中液晶分子的傾斜朝向平行于基板的方向。
現(xiàn)參照附圖，本發(fā)明示例性實(shí)施例的細(xì)節(jié)被示意性地示出。將通過相同的附圖標(biāo)記來表示附圖中相同的元件，并且將利用具有不同的小寫字母下標(biāo)的附圖標(biāo)記來表示相似的元件。
參照圖1a和1b，所描繪的分別是現(xiàn)有技術(shù)的VAN模式液晶顯示器在“關(guān)”狀態(tài)和“開”狀態(tài)的示意性表示圖。由基板表面102、104上的配向?qū)铀x的液晶分子的方位角方向彼此反平行，并且與進(jìn)入的入射線性偏振光的偏振方向呈45度角。在VAN模式液晶顯示器中，預(yù)傾角θ需要保持較小，例如小于4度，以獲得非常暗的“光”狀態(tài)，由此獲得高對比度。
現(xiàn)參照圖2，所描繪的是液晶顯示器的一部分的示意性前視圖，示出了液晶流體中的示例性分子的方位方向角(ф)和傾角(θ)。玻璃(透明)基板202和反射(鏡面)基板204平行并且其間具有總體由附圖標(biāo)記206所表示的液晶流體。這些平行基板之間的距離(液晶流體的厚度)總體上由“d”表示。該距離(厚度)d優(yōu)選約為3.5μm+/-0.2μm。液晶流體206優(yōu)選在45℃具有約0.0830的雙折射率(Δn)。用于本發(fā)明的液晶流體是向列型的并具有負(fù)介電各向異性Δε(＝ε//-ε⊥＜0)，其中ε//和ε⊥是液晶流體的介電常數(shù)的水平分量和垂直分量(對于向列指向矢)。所預(yù)期的并且在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的是，為了適當(dāng)電壓下有效的亮狀態(tài)，在近似滿足Δn·d＞λ/4的條件下，可以使用距離(厚度)(d)和雙折射率(Δn)的任意組合(其中λ是入射到顯示器上的光的波長)。例如，在單元間隙(cell gap)約為3.5μm，利用MLC-6608，并且與表面法線的預(yù)傾角約為8度時，最佳的亮狀態(tài)電壓對于紅光(640nm)約為4.0V，對于綠光(540nm)約為3.5V，對于藍(lán)光(470nm)約為3.15V。
為了示例的目的，示出了液晶流體206的單分子206a。傾角θ是從垂直于基板202和204的Z軸測量的。方位角ф是從XY平面內(nèi)的X軸測量的，并且是X軸與XY平面上液晶流體206的分子的投影之間的角度。根據(jù)本發(fā)明，玻璃基板處的線性偏振入射光的偏振方向或者近似平行于或者垂直于玻璃基板202處產(chǎn)生的方位角方向。
參照圖3a，所描繪的是根據(jù)本發(fā)明的在“關(guān)”狀態(tài)的液晶顯示器的示意性表示圖。繪出了在“關(guān)”狀態(tài)的液晶流體206的分子，其中只是預(yù)傾角θ(以上所定義的)足夠大就去除了邊緣場所致的向錯。優(yōu)選的是，預(yù)傾角θ可以為約2度至約15度。最優(yōu)選的是，預(yù)傾角θ可以為約5度至約15度。入射光308的偏振狀態(tài)基本不會受到液晶流體206的分子的影響并且將作為基本上線性偏振的光從基板204被反射回來，該線性偏振的光具有基本平行于入射線性偏振光的偏振方向的偏振方向。
參照圖3b，所描繪的是根據(jù)本發(fā)明的在“開”狀態(tài)的液晶顯示器的示意性表示圖。在最佳的電壓驅(qū)動下所形成的液晶流體206的構(gòu)造將造成進(jìn)入基板202的線性偏振入射光在基板204處變成近似圓形偏振的光。在基板204處的該近似圓形偏振的入射光將作為近似圓形偏振的光被反射回來，單具有相反的手性，并且當(dāng)其到達(dá)基板202時，該反射光將為近似線性偏振的光，該近似線性偏振的光具有近似垂直于線性偏振入射光偏振方向的偏振方向。
現(xiàn)參照圖4，所描繪的是根據(jù)本發(fā)明在“關(guān)”和“開”狀態(tài)下的液晶流體206分子的傾角和方位角的曲線集合，所述液晶流體分子的傾角和方位角是位于基板之間的這些分子的位置的函數(shù)。在左側(cè)豎直軸上從0度至90度繪出了傾角θ，在右側(cè)豎直軸上從0度至90度繪出了方位角ф。在水平軸上從0至d繪出了基板202和204之間的液晶流體206的分子位置。曲線402描繪了在其處于“關(guān)”狀態(tài)時，液晶流體206的分子的傾角θ。曲線404描繪了在其處于“關(guān)”狀態(tài)時，液晶流體206的分子的方位角ф。曲線410描繪了在其處于“開”狀態(tài)時，液晶流體206的分子的傾角θ。曲線412描繪了在其處于“開”狀態(tài)時，液晶流體206的分子的方位角ф。對于中間灰度梯度的相應(yīng)傾角曲線將落在曲線402和曲線410之間，而方位角曲線將落在曲線404和412之間。
因此，本發(fā)明非常適于實(shí)現(xiàn)所述目標(biāo)，并達(dá)到所述的目的和優(yōu)點(diǎn)以及其中所固有的其它優(yōu)點(diǎn)。盡管通過參考本發(fā)明的示例性實(shí)施例已描繪、描述并界定了本發(fā)明，但這些參考并不意味著對本發(fā)明的限制，并且也不能推知這樣的限制。本發(fā)明可以在形式和功能上進(jìn)行顯著的修改、替換以及等效，這是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以想到的并且具有本公開的益處。所描繪和描述的本發(fā)明的實(shí)施例僅僅是示例性的，沒有完全窮盡本發(fā)明的范圍。因此，意于僅通過給出了對所有方面等同物的充分認(rèn)知的權(quán)利要求的精神和范圍來限制本發(fā)明。
本申請要求于2003年2月26日提交的題為“Method to Eliminate theDisclination Defects Due to Fringe Fields in Vertically Aligned NematicReflective LC Displays Without Hurting the Display Contrast”的美國臨時專利申請60/450370的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容在此引入作為參考。
權(quán)利要求
1.一種反射型液晶顯示器，包括基本透明的第一基板；基本是反射性的并且基本平行于所述第一基板的第二基板；以及，具有雙折射率(Δn)和負(fù)介電各向異性的液晶流體，其中所述液晶流體在所述第一和第二基板之間；所述第一基板具有靠近所述液晶流體的第一液晶配向?qū)樱渲锌拷龅谝灰壕湎驅(qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第一預(yù)傾角以及第一方位角方向；所述第二基板具有靠近所述液晶流體的第二液晶配向?qū)?，其中靠近所述第二液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第二預(yù)傾角以及第二方位角方向，所述第二方位角方向基本垂直于所述第一方位角方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中線性偏振入射光具有近似平行于所述第一方位角方向的偏振方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中線性偏振入射光具有近似垂直于所述第一方位角方向的偏振方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中通過將所述第一和第二基板之間的電場從基本沒有電場改變?yōu)榫哂凶罴阎档碾妶鰜懋a(chǎn)生灰度梯度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中所述第一和第二基板的內(nèi)面之間的距離(d)為約3.5微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中所述第一和第二基板的內(nèi)面之間的距離(d)為從約3.3微米至約3.7微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中所述雙折射率(Δn)在約45攝氏度時為約0.0830。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中所述雙折射率(Δn)為從約0.0777至約0.0996。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中在所述第一和第二基板之間施加具有最佳值的電場時，所述雙折射率(Δn)乘以d大于λ/4，其中d是所述第一和第二基板的內(nèi)面之間的距離，λ是光的波長。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體的分子具有約5度至約15度的傾角(θ)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體的分子具有約2度至約15度的傾角(θ)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體分子的方位角(φ)從所述第一基板處的約0度變化到所述第二基板處的約90度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器，其中當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體分子的方位角(φ)從所述第二基板處的約0度變化到所述第一基板處的約90度。
14.一種反射型液晶顯示器，包括基本透明的第一基板；基本是反射性的并且基本平行于所述第一基板的第二基板；以及，具有雙折射率(Δn)和負(fù)介電各向異性的液晶流體，其中所述液晶流體在所述第一和第二基板之間；所述第一基板具有靠近所述液晶流體的第一液晶配向?qū)?，其中靠近所述第一液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第一預(yù)傾角以及第一方位角方向；所述第二基板具有靠近所述液晶流體的第二液晶配向?qū)?，其中靠近所述第二液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第二預(yù)傾角以及第二方位角方向，所述第二方位角方向基本垂直于所述第一方位角方向；其中當(dāng)在所述第一和第二基板之間施加電場時，所述液晶流體的相當(dāng)數(shù)目的分子增大了其傾角，并且當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體的相當(dāng)數(shù)目的分子使其方位角方向基本垂直于所述第一和第二基板；由此，當(dāng)在所述第一和第二基板之間施加電場時，所述液晶流體將所述第一基板處的線性偏振入射光改變成在所述第二基板時的近似圓形偏振的入射光，其中所述第二基板將所述近似圓形偏振的入射光反射回來使其成為相反手性的近似圓形偏振的光，其中所述液晶流體將該近似圓形偏振的反射光變成在所述第一基板時的近似線性偏振的反射光，使得在所述第一基板處所述線性偏振入射光和所述線性偏振反射光的偏振方向近似垂直，以及由此，當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體基本不改變穿過該液晶流體的光的偏振，并且在所述第一基板處所述線性偏振入射光和所述線性偏振反射光的偏振方向基本平行。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的反射型液晶顯示器，其中以多個第一時序在所述第一和第二基板之間施加電場，以多個第二時序在所述第一和第二基板之間基本不施加電場。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的反射型液晶顯示器，其中改變所述第一和第二時序以產(chǎn)生灰度梯度。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的反射型液晶顯示器，其中改變所述第一和第二時序以產(chǎn)生場序彩色。
18.一種用于反射型液晶顯示器的方法，所述方法包括以下步驟設(shè)置基本透明的第一基板；設(shè)置基本是反射性的并且基本平行于所述第一基板的第二基板；以及，在所述第一和第二基板之間設(shè)置具有雙折射率(Δn)和負(fù)介電各向異性的液晶流體；在所述第一基板上設(shè)置第一液晶配向?qū)樱龅谝灰壕湎驅(qū)涌拷鲆壕Я黧w，其中靠近所述第一液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第一預(yù)傾角以及第一方位角方向；在所述第二基板上設(shè)置第二液晶配向?qū)?，所述第二液晶配向?qū)涌拷鲆壕Я黧w，其中靠近所述第二液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第二預(yù)傾角以及第二方位角方向，所述第二方位角方向基本垂直于所述第一方位角方向；使得當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體不改變從中穿過的光的偏振狀態(tài)，并且在所述第一基板處線性偏振入射光和線性偏振反射光的偏振方向基本平行，當(dāng)在所述第一和第二基板之間施加最佳值的電場時，所述液晶流體將所述第一基板處的線性偏振入射光改變成在所述第二基板時的近似圓形偏振的入射光，其中所述第二基板將所述近似圓形偏振的入射光反射回來使其成為相反手性的近似圓形偏振的光，其中所述液晶流體將該近似圓形偏振的反射光變成在所述第一基板時的近似線性偏振的反射光，使得所述第一基板處所述線性偏振入射光和所述線性偏振反射光的偏振方向近似垂直，并且當(dāng)在所述第一和第二基板之間施加小于所述最佳值的電場時，所述液晶流體在所述入射線性偏振光穿過所述液晶流體并從所述第二基板被反射回來時將其偏振狀態(tài)變成橢圓偏振光。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中線性偏振入射光的偏振方向近似平行于所述第一方位角方向。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中線性偏振入射光的偏振方向近似垂直于所述第一方位角方向。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括以下步驟通過使在所述第二基板處將入射光的偏振狀態(tài)從近似線性偏振變成橢圓偏振，從而改變所述第一和第二基板之間的電場以產(chǎn)生灰度梯度，并且當(dāng)基本不存在電場時，在所述第二基板處的入射光的偏振是近似線性的。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第一和第二基板的內(nèi)面之間的距離(d)約為3.5微米。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述第一和第二基板的內(nèi)面之間的距離(d)是約3.3微米至約3.7微米。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述液晶流體具有在約45攝氏度時約為0.0830的雙折射率(Δn)。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述液晶流體具有約0.0777至約0.0996的雙折射率(Δn)。
26.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中在所述第一和第二基板之間施加具有最佳值的電場時，所述雙折射率Δn乘以d大于λ/4，其中d是所述第一和第二基板的內(nèi)面之間的距離，λ是光的波長。
27.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體的分子具有約5度至約15度的傾角(θ)。
28.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體的分子具有約2度至約15度的傾角(θ)。
29.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體分子的方位角(φ)從所述第一基板處的約0度變化到所述第二基板處的約90度。
30.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體分子的方位角(φ)從所述第二基板處的約0度變化到所述第一基板處的約90度。
31.一種用于反射型液晶顯示器的方法，所述方法包括以下步驟設(shè)置基本透明的第一基板；設(shè)置基本是反射性的并且基本平行于所述第一基板的第二基板；以及，設(shè)置具有雙折射率(Δn)和負(fù)介電各向異性的液晶流體，所述液晶流體在所述第一和第二基板之間；在所述第一基板上設(shè)置第一液晶配向?qū)?，所述第一液晶配向?qū)涌拷鲆壕Я黧w，其中靠近所述第一液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第一預(yù)傾角以及第一方位角方向；在所述第二基板上設(shè)置第二液晶配向?qū)樱龅诙壕湎驅(qū)涌拷鲆壕Я黧w，其中靠近所述第二液晶配向?qū)拥乃鲆壕Я黧w的分子具有約2度至約15度的第二預(yù)傾角以及第二方位角方向，所述第二方位角方向基本垂直于所述第一方位角方向；其中當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體的相當(dāng)數(shù)目的分子使其方位角方向基本垂直于所述第一和第二基板；并且當(dāng)在所述第一和第二基板之間施加電場時，所述液晶流體的相當(dāng)數(shù)目的分子增大了其傾角；由此，當(dāng)在所述第一和第二基板之間施加電場時，所述液晶流體將所述第一基板處的線性偏振入射光改變成在所述第二基板時的近似圓形偏振的入射光，其中所述第二基板將所述近似圓形偏振的入射光反射回來使其成為相反手性的近似圓形偏振的光，其中所述液晶流體將該近似圓形偏振的反射光變成在所述第一基板時的近似線性偏振的反射光，使得所述第一基板處所述線性偏振入射光和所述線性偏振反射光的偏振方向近似垂直，并且由此，當(dāng)基本沒有電場施加在所述第一和第二基板之間時，所述液晶流體基本不改變穿過該液晶流體的光的偏振狀態(tài)，使得在所述第一基板處所述線性偏振入射光和所述線性偏振反射光的偏振方向近似平行。
32.一種反射型液晶顯示器組件，包括基本透明的第一基板；基本平行于所述第一基板的、基本是反射性的第二基板；以及，具有雙折射率(Δn)和負(fù)介電各向異性的液晶流體，其中所述液晶流體在所述第一和第二基板之間；分別在所述第一和第二基板上的第一和第二液晶配向?qū)?，其中靠近所述第一和第二液晶配向?qū)拥乃隽黧w的分子具有有限的預(yù)傾角并分別定向在第一和第二方位角方向上；其中將所述組件配置為使得(i)當(dāng)基本沒有電場施加在所述基板之間時，相當(dāng)數(shù)目的流體分子定向?yàn)榛敬怪庇谒龌澹?ii)當(dāng)在所述基板之間施加最佳值的電場時，相當(dāng)數(shù)目的流體分子的傾角增大；以及(iii)當(dāng)在所述基板之間施加小于最佳值的電場時，相當(dāng)數(shù)目的流體分子定向成中間傾角。
全文摘要
一種反射型硅基液晶(LCOS)顯示器，包括透明基板，反射基板，以及在所述基板之間的液晶流體。該LCOS顯示器還包括以多行和多列排布的像素矩陣，其中一行和一列的交叉點(diǎn)定義了矩陣中一個像素的位置。該LCOS顯示器具有足以克服邊緣場所致的向錯的傾角，與此同時，實(shí)現(xiàn)了高對比度。液晶流體分子的表面方位角方向基本平行或垂直于進(jìn)入的入射線性偏振光的偏振方向。因?yàn)檫M(jìn)入的入射線性偏振光所經(jīng)歷的有效雙折射基本為零并且不依賴于液晶流體分子的預(yù)傾角，所以光泄漏最小。在透明基板和反射基板之間，液晶流體分子的扭轉(zhuǎn)可以在處于“關(guān)”狀態(tài)時從約0度變化到約90度。
文檔編號G02F1/13GK1781056SQ200480009806
公開日2006年5月31日 申請日期2004年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月26日
發(fā)明者赫馬西里·維撒納 申請人:步里連公司