專利名稱：反射型液晶顯示器件以及反射型液晶投影儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反射型液晶顯示器件和一種反射型液晶投影儀，更具體地
說(shuō)，是涉及一種具有垂直排列向列(VAN)液晶的反射型液晶顯示器件以及反
射型液晶投影儀。
背景技術(shù)：
在各種電子硬件中都可發(fā)現(xiàn)液晶顯示器件(這里下文稱為L(zhǎng)CD)，例如計(jì)算器、電子字典、電視和數(shù)碼相機(jī)的顯示屏、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、便攜式電話和計(jì)算機(jī)的監(jiān)視器以及投影儀的顯示板。
根據(jù)液晶層的運(yùn)行模式，LCD可被分為幾種類型，例如TN(扭曲向列)LCD、 VAN (垂直排列向列)LCD、 IPS (平面轉(zhuǎn)換)LCD禾卩OCB (光學(xué)補(bǔ)償性彎曲)LCD。根據(jù)電子硬件的用途和所需功能，選擇其中一種運(yùn)行模式。
例如，VAN-LCD在一對(duì)基板之間包括向列液晶分子，每個(gè)基板在內(nèi)表面上具有一垂直排列薄膜，并且當(dāng)沒(méi)有電壓施加到液晶層時(shí)(這里下文稱為電壓關(guān)閉狀態(tài))，這些液晶分子與基板完全垂直排列。當(dāng)在橫跨VAN-LCD的正交尼科爾棱晶中提供一對(duì)極化板，并且在電壓關(guān)閉狀態(tài)從前面觀察VAN-LCD時(shí)，黑顏色以極高的對(duì)比度被顯示。
由于該性質(zhì)，需要顯示具有高對(duì)比度的放大圖像的液晶投影儀使用了VAN-LCD。然而，當(dāng)從前面觀看而提供良好對(duì)比度的同時(shí)，與其它運(yùn)行模式類似，當(dāng)從傾斜角度觀看時(shí)VAN-LCD幾乎不能保持良好的顯示特性，并導(dǎo)致對(duì)比度降低或引起中性色彩亮度反轉(zhuǎn)的色調(diào)改變。這些缺點(diǎn)部分是取決于液晶層上傾斜的入射光。該傾斜入射光隨后由液晶層的雙折射轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振光，并穿過(guò)一分析儀。
因此提出使用具有垂直表面運(yùn)轉(zhuǎn)的光軸的延遲補(bǔ)償元件，該元件稱為C感光板，以用來(lái)補(bǔ)償傾斜穿過(guò)液晶層的光的相位差(例如參見(jiàn)日本未審專利公開(kāi)號(hào)為No.2004-145268的專利文件)。
如果用微電極結(jié)構(gòu)將液晶層驅(qū)動(dòng)為排列濃密的像素陣列，那么當(dāng)電壓施加到臨近電壓關(guān)閉像素的像素時(shí)生成的橫向電場(chǎng)產(chǎn)生相反的傾斜區(qū)域，并引起不良的液晶分子排列，其中對(duì)于電壓關(guān)閉像素的液晶分子相對(duì)預(yù)定方向排列。為了防止不良排列并穩(wěn)定LCD的運(yùn)行，液晶分子必須以預(yù)定的角度事先傾斜(這
3里下文稱為預(yù)傾斜)。理想地，對(duì)于VAN-LCD，處于電壓關(guān)閉狀態(tài)的液晶分子需要以從正常方向離基板3到IO度的角度預(yù)傾斜。
然而，在VAN-LCD這樣的配置中，取決液晶分子的預(yù)傾斜的雙折射導(dǎo)致垂直穿過(guò)液晶層的光具有相位差，并降低了 VAN-LCD的對(duì)比度。
因此提出使用具有平行于表面的光軸的延遲補(bǔ)償元件(該元件稱為A感光板)與C感光板，以用來(lái)阻止因預(yù)傾斜導(dǎo)致的對(duì)比度下降(例如參見(jiàn)Claire Gu& Pochi Yeh的"擴(kuò)展的瓊斯矩陣方法.II (Extended Jones matrix method. II)"，Journal of Optical Society of America A/vol. 10 No. 5/1993年5月p966-973)。
人們還提出了層疊兩個(gè)或多個(gè)延遲補(bǔ)償元件，其光軸傾斜表面運(yùn)轉(zhuǎn)，該元件稱為O感光板，以用來(lái)以任意灰階擴(kuò)展TN-LCD的視角。更具體的，通過(guò)將C感光板或A感光板與一對(duì)O感光板相結(jié)合，來(lái)提高TN-LCD的對(duì)比度，該O感光板以彼此垂直的快速軸被排列(例如參見(jiàn)美國(guó)專利No.5,638,197)。
當(dāng)C感光板單獨(dú)使用時(shí)，其可補(bǔ)償液晶器件上傾斜入射的光的相位差。但是，C感光板不能補(bǔ)償因液晶分子預(yù)傾斜導(dǎo)致的雙折射引起的相位差。
另一方面，當(dāng)C感光板和A感光板一起使用時(shí)，不僅在材料上幾乎沒(méi)有選擇，并且實(shí)際上沒(méi)有材料可提供高水平的耐用性和大規(guī)模生產(chǎn)。例如，當(dāng)A感光板通常由單軸延伸的聚合物薄膜或由微加工工藝制成的雙折射延遲感光板組成，聚合物薄膜并不很耐用且雙折射延遲感光板不適合大規(guī)模生產(chǎn)。
而且，當(dāng)兩個(gè)O感光板以其快速軸彼此呈直角層疊時(shí)，該O感光板對(duì)與沿表面法線方向移動(dòng)的光同方向，并且?guī)缀醪谎a(bǔ)償垂直穿過(guò)VAN-LCD的光的
相位差。也就是說(shuō)，這些o感光板不能補(bǔ)償因液晶分子的預(yù)傾斜產(chǎn)生的相位差。
具體地，美國(guó)專利No.5,638,197簡(jiǎn)單公開(kāi)了在TN-LCD中使用雙軸O感光板，其中沒(méi)有教導(dǎo)如何建立O感光板，例如雙軸O感光板的角度。由此，該專利文件公開(kāi)的內(nèi)容不能簡(jiǎn)單應(yīng)用到VAN-LCD中。
綜上所述，本發(fā)明的主要目的是提供一種可通過(guò)補(bǔ)償取決于液晶分子預(yù)傾斜的相位差和液晶層上傾斜入射光的相位差來(lái)提高對(duì)比度和視角的反射型V AN-LCD(反射型液晶顯示器件)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有這種VAN-LCD的反射型液晶投影儀。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述和其它目的，本發(fā)明的反射型液晶顯示器件包括由傾斜沉積無(wú)機(jī)材料形成的雙軸雙折射介質(zhì)。該雙軸雙折射介質(zhì)具有傾斜于VAN液晶單元表面的光軸，并還具有與表面上無(wú)機(jī)材料的沉積方向的垂直投影一致的快速
4軸。該VAN液晶單元具有液晶層，在該液晶層中，液晶分子在無(wú)電壓施加到液晶層時(shí)基本垂直于單元基板排列，并且雙軸雙折射介質(zhì)補(bǔ)償由液晶分子傾斜于單元表面造成的相位差。
還優(yōu)選提供具有單軸雙折射介質(zhì)的反射型液晶顯示器件，該單軸雙折射介
質(zhì)具有垂直于VAN液晶單元表面的光軸。該單軸雙折射介質(zhì)與雙軸雙折射介
質(zhì)組合，并補(bǔ)償傾斜穿過(guò)液晶層的光的相位差和穿過(guò)雙軸雙折射介質(zhì)的光的相位差。
單軸雙折射介質(zhì)是高折射率和低折射率無(wú)機(jī)層的交替堆疊。優(yōu)選設(shè)置雙軸雙折射介質(zhì)，以使得雙軸雙折射介質(zhì)的快速軸與液晶分子的
傾斜方向彼此一致。還優(yōu)選設(shè)置雙軸雙折射介質(zhì)，以使得快速軸與傾斜方向相
對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的反射型液晶投影儀將形成在上述反射型液晶顯示器件的圖像投射在屏幕上。
根據(jù)本發(fā)明，雙軸雙折射介質(zhì)補(bǔ)償取決于VAN-LCD中的液晶分子預(yù)傾斜的相位差和液晶層上入射光的相位差。由此，提高了 VAN-LCD中的對(duì)比度和視角。另外，當(dāng)配有這種反射型液晶顯示器件時(shí)，反射型液晶投影儀提高了對(duì)比度。


圖1是本發(fā)明具有延遲補(bǔ)償元件的投影儀的外部透視圖；圖2是示出投影儀光學(xué)結(jié)構(gòu)的框圖3A至圖3C是液晶顯示器件和延遲補(bǔ)償元件的設(shè)置說(shuō)明圖4是C感光板的截面圖；圖5是0感光板的說(shuō)明圖6是代表O感光板光學(xué)特性的折射率橢球的說(shuō)明圖；圖7是液晶顯示器件配置O感光板的說(shuō)明圖8是僅使用C感光板作為延遲補(bǔ)償元件的投影儀的視角特性的干涉圖
像；
圖9是具有本發(fā)明延遲補(bǔ)償元件的投影儀的視角特性的干涉圖像。
具體實(shí)施例方式
參考圖l，本發(fā)明的投影儀IO包括投影透鏡16、投影儀驅(qū)動(dòng)器17以及顯示光學(xué)系統(tǒng)18。
在機(jī)架19的上表面上，投影儀10還具有變焦刻度盤(pán)21、聚焦刻度盤(pán)22
5以及光量調(diào)節(jié)器刻度盤(pán)23。在機(jī)架19的后表面上，提供有一個(gè)或多個(gè)連接終
端(未示出)，以用于連接計(jì)算機(jī)和其它外部器件。
投影透鏡16放大來(lái)自顯示光學(xué)系統(tǒng)18的投射光，并將它投射到屏幕24 上(參見(jiàn)圖2)。例如，投影透鏡16由變焦透鏡、聚焦透鏡和孔徑光闌組成。 變焦透鏡和聚焦透鏡沿著投射光的軸(投射光軸)Ll移動(dòng)。變焦透鏡隨著變 焦刻度盤(pán)21的操作而移動(dòng)，以調(diào)節(jié)投射圖像的放大倍率。聚焦透鏡隨著聚焦 刻度盤(pán)22的操作或變焦透鏡的移動(dòng)而移動(dòng)，以調(diào)節(jié)投射圖像的焦點(diǎn)?？讖焦?闌響應(yīng)光量調(diào)節(jié)器刻度盤(pán)23的操作而變化孔徑尺寸，以調(diào)節(jié)投射圖像的亮度。
投影儀驅(qū)動(dòng)器17控制投影儀10的每個(gè)部件。例如，投影儀驅(qū)動(dòng)器17接 收來(lái)自連接到投影儀10的計(jì)算機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，并將該圖像顯示在下述的液晶 顯示器件上。
另外，投影儀驅(qū)動(dòng)器17包括移動(dòng)投影透鏡16的電動(dòng)機(jī)，并且根據(jù)變焦刻 度盤(pán)21、聚焦刻度盤(pán)22和光量調(diào)節(jié)器刻度盤(pán)23的操作分別驅(qū)動(dòng)這些電動(dòng)機(jī)。
顯示光學(xué)系統(tǒng)18將來(lái)自光源的光分成紅色、綠色和藍(lán)色光，并通過(guò)向相 應(yīng)的液晶顯示器件51、 52和53投射紅色、綠色和藍(lán)色光來(lái)生成每種顏色的信 息光(參見(jiàn)圖2)，其中每個(gè)液晶顯示器件51、 52、 53顯示紅、綠或藍(lán)顏色的 圖像。然后，顯示光學(xué)系統(tǒng)18將該信息光合成為投射光，并通過(guò)投影透鏡16 將它投射到屏幕24上。
如圖2所示，顯示光學(xué)系統(tǒng)18包括光源31和從由光源31發(fā)射的光生成 信息光的信息光生成部分32。
光源31包括燈33、反射鏡34、紫外截止濾波片36、合成器37、偏振單 元38、傳遞透鏡41和校準(zhǔn)透鏡42。
燈33是高強(qiáng)度光源，例如氙燈，其發(fā)射沒(méi)有特定偏振方向的自然白光。 從燈33發(fā)射的白光穿過(guò)紫外截止濾波片36并進(jìn)入合成器37。
紫外截止濾波片36從白光中消除紫外光成分，以使來(lái)自燈33的白光不會(huì) 退色或破壞由高分子重量有機(jī)聚合物等形成的過(guò)濾器(未示出)。
例如，反射鏡34為橢圓鏡，并且燈33位于橢圓表面的焦點(diǎn)附近。反射鏡 34的其它焦點(diǎn)位于合成器37的一端附近。由此，來(lái)自燈33的白光有效指向合 成器37。
例如，合成器37由玻璃棒和附加到玻璃棒上的微透鏡陣列組成，該合成 器37收集燈33發(fā)出的白光，并通過(guò)傳遞透鏡41將它引導(dǎo)到校準(zhǔn)透鏡42。入 射到合成器37上的光量隨著光遠(yuǎn)離光源的光軸(光源光軸)L2而減少，并在
6光源光軸L2周圍非均勻分布。合成器37將光的不均勻分布轉(zhuǎn)變?yōu)樵诠庠垂廨S L2周圍預(yù)定區(qū)域內(nèi)均勻分布。由此，投射圖像的亮度在屏幕24上基本均勻。
校準(zhǔn)透鏡42使來(lái)自合成器37的光平行于光源光軸L2。在來(lái)自校準(zhǔn)透鏡 42的光中，偏振單元38將垂直偏振光成分傳輸?shù)皆搱D紙表面(這里下文稱為 S偏振光成分)，同時(shí)將對(duì)于該圖紙表面的水平偏振光成分(這里下文稱為P 偏振光成分)轉(zhuǎn)變成S偏振光成分。然后，S偏振光成分的光束被引導(dǎo)到信息 光生成部分32的分色鏡46。
信息光生成部分32包括分色鏡46、 47、偏振電子束分裂器48、 49、 50、 液晶顯示器件51、 52、 53 (反射型液晶顯示器件)、延遲補(bǔ)償元件56、 57、 58和分色棱鏡61。
設(shè)置分色鏡46是為在表面法線與光源光軸L2之間形成45度角。該分色 鏡46僅將來(lái)自光源31的S偏振白光中的紅色光傳輸?shù)椒瓷溏R43。反射鏡43 將穿過(guò)分色鏡46的紅色光反射到偏振電子束分裂器48。另外，分色鏡46將S 偏振白光中的綠色和藍(lán)色光傳輸?shù)椒稚R47。
設(shè)置分色鏡47是為在表面法線與入射光光軸之間形成45度角。分色鏡47 將來(lái)自分色鏡46的S偏振光中的綠色光反射到偏振電子束分裂器49，同時(shí)將 藍(lán)色光傳輸?shù)狡耠娮邮至哑?0。
偏振電子束分裂器48是由兩個(gè)傾斜面彼此接觸的三角棱鏡組成的立方體。 在兩個(gè)棱鏡之間，設(shè)置偏振裂膜64。偏振裂膜64反射45度入射的光的S偏振 光成分，同時(shí)傳輸P偏振光成分。
由于這種結(jié)構(gòu)，偏振電子束分裂器48反射來(lái)自分色鏡46通過(guò)反射鏡43 的S偏振紅色光，并將光導(dǎo)向液晶顯示器件51?，F(xiàn)在變?yōu)镾偏振紅色信息光 的光從液晶顯示器件51重新進(jìn)入偏振電子束分裂器48，并且反射出偏振裂膜 64。另一方面，來(lái)自液晶顯示器件51的P偏振紅色信息光穿過(guò)偏振裂膜64并 進(jìn)入分色棱鏡61。
偏振電子束分裂器49具有與偏振電子束分裂器48相同的結(jié)構(gòu)，并包括偏 振裂膜65。來(lái)自分色鏡47的S偏振綠色光由偏振裂膜65反射并導(dǎo)向液晶顯示 器件52。從液晶顯示器件52重新進(jìn)入的S偏振綠色信息光由偏振裂膜65反射。 另一方面，P偏振綠色信息光穿過(guò)偏振裂膜65并進(jìn)入分色棱鏡61。
偏振電子束分裂器50也具有與偏振電子束分裂器48相同的結(jié)構(gòu)，并包括 偏振裂膜66。來(lái)自分色鏡47的S偏振藍(lán)色光由偏振裂膜66反射并導(dǎo)向液晶顯 示器件53。從液晶顯示器件53重新進(jìn)入的S偏振藍(lán)色信息光由偏振裂膜66
7反射。另一方面，P偏振藍(lán)色信息光穿過(guò)偏振裂膜66并進(jìn)入分色棱鏡61。
液晶顯示器件51是反射型VAN-LCD。也就是說(shuō)，液晶顯示器件51具有 液晶層，其中，在液晶層中，液晶分子在電壓關(guān)閉狀態(tài)垂直表面排列。在液晶 顯示器件51中，橫跨液晶層的電壓根據(jù)逐個(gè)像素偏壓調(diào)節(jié)，以改變液晶分子 的取向。根據(jù)液晶分子的取向，控制穿過(guò)像素的P偏振光的作用，并顯示圖像。
由投影儀驅(qū)動(dòng)器17驅(qū)動(dòng)，液晶顯示器件51顯示從計(jì)算機(jī)等重新得到的投 射圖像數(shù)據(jù)的紅色成分的亮度圖像。當(dāng)穿過(guò)液晶顯示器件51時(shí)，紅色光變成 紅色信息光，該紅色信息光攜帶投射圖像的紅色成分的信息。
液晶顯示器件52也是由投影儀驅(qū)動(dòng)器17驅(qū)動(dòng)的反射型VAN-LCD，并且 顯示投射圖像數(shù)據(jù)的綠色成分的亮度圖像。當(dāng)穿過(guò)液晶顯示器件52時(shí)，綠色 光變成綠色信息光，該綠色信息光攜帶投射圖像的綠色成分的信息。
液晶顯示器件53也是由投影儀驅(qū)動(dòng)器17驅(qū)動(dòng)的反射型VAN-LCD，并顯 示投射圖像數(shù)據(jù)的藍(lán)色成分的亮度圖像。當(dāng)穿過(guò)液晶顯示器件53時(shí)，藍(lán)色光 變成藍(lán)色信息光，該藍(lán)色信息光攜帶投射圖像的藍(lán)色成分的信息。
延遲補(bǔ)償元件56補(bǔ)償從液晶顯示器件51向偏振電子束分裂器48傳播的 紅色信息光的相位差。也就是說(shuō)，延遲補(bǔ)償元件56將傾斜穿過(guò)液晶顯示器件 51的光的相位改變成沒(méi)有穿過(guò)作為分析儀的偏振電子束分裂器48的相位。而 且，延遲補(bǔ)償元件56補(bǔ)償通過(guò)取決于液晶分子預(yù)傾斜的雙折射而垂直穿過(guò)液 晶顯示器件51的光中引起的相位差。
類似地，延遲補(bǔ)償元件57補(bǔ)償從液晶顯示器件52向偏振電子束分裂器49 傳播的綠色信息光的相位差，并且延遲補(bǔ)償元件58補(bǔ)償從液晶顯示器件53向 偏振電子束分裂器50傳播的藍(lán)色信息光的相位差。
分色棱鏡61是玻璃元件或者具有立方形狀的透明元件，其包括相互垂直 的分色表面62、 63。分色表面62反射紅色光，同時(shí)傳輸綠色光。分色表面63 反射藍(lán)色光，同時(shí)傳輸綠色光。
因此，分別來(lái)自液晶顯示器件51、 52及53的紅、綠和藍(lán)色信息光由分色 棱鏡61合成為投射光，其然后導(dǎo)入到投影透鏡16并全色投射到屏幕24上。
更具體地，如圖3A所示，延遲補(bǔ)償元件56設(shè)置在液晶顯示器件51與偏 振電子束分裂器48之間。液晶顯示器件包括透明基板67、反射基板68和位于 透明基板67與反射基板68之間的液晶層69。液晶顯示器件51是所謂的LCOS (硅上液晶)器件，在半導(dǎo)體基板上具有液晶層的反射型液晶顯示器件。
例如，透明基板67由玻璃基板71、透明電極72和校準(zhǔn)膜73組成。這些
8部件從光源側(cè)以如下順序設(shè)置玻璃基板71、透明電極72和校準(zhǔn)膜73。透明 基板67全由透明材料形成，并由此傳輸幾乎所有來(lái)自偏振電子束分裂器48的 S偏振紅色光。
例如，透明電極72是氧化錫銦(ITO)薄膜，并通過(guò)濺射、電子束蒸發(fā)或 這樣的公知方法形成在玻璃基板71上。當(dāng)電壓施加到透明電極72和下述反射 電極77時(shí)，透明電極72為液晶顯示器件51的每個(gè)像素發(fā)揮普通電極的作用。
校準(zhǔn)膜73是由例如SiO的無(wú)機(jī)材料形成的傾斜沉積薄膜，并具有由材料 沉積方向決定的方向性(這里下文稱為校準(zhǔn)方向)。在校準(zhǔn)膜73與另外的校 準(zhǔn)膜79之間的液晶分子在校準(zhǔn)膜79的校準(zhǔn)方向上定向。校準(zhǔn)膜可以是所謂的 聚酰亞胺膜，具有聚酰亞胺膠結(jié)的高重量分子聚合體的薄膜。然而，當(dāng)與這種 有機(jī)校準(zhǔn)膜比較時(shí)，傾斜沉積無(wú)機(jī)膜更耐用，并確保每個(gè)部件長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn) 行。由此優(yōu)選使用傾斜沉積無(wú)機(jī)膜作為VAN-LCD的校準(zhǔn)膜。
反射基板68包括硅等的半導(dǎo)體基板74、在半導(dǎo)體基板74上的像素驅(qū)動(dòng)電 路76、反射電極77和校準(zhǔn)膜79。在半導(dǎo)體基板74上，以如下順序設(shè)置這些 元件像素驅(qū)動(dòng)電路76、反射電極77和校準(zhǔn)膜79。反射基板68反射從偏振 電子束分裂器48入射到液晶層69上的光，并將光送回到偏振電子束分裂器48。
反射電極77由例如銀或鋁的光亮金屬形成，并提供在半導(dǎo)體基板74上。 反射電極77反射來(lái)自偏振電子束分裂器48的入射光，以將光傳送回偏振電子 束分裂器48。反射電極77提供給液晶顯示器件51的每個(gè)像素，并且以逐個(gè)像 素為基礎(chǔ)控制橫跨它施加的電壓和透明電極72。
例如，像素驅(qū)動(dòng)電路76是由一種表面處理工藝直接形成在半導(dǎo)體基板74 上的集成電路。反射電極77位于每個(gè)像素驅(qū)動(dòng)電路76上。每個(gè)像素驅(qū)動(dòng)電路 76立刻與上面的反射電極77連接，并控制施加到反射電極77的電壓。
校準(zhǔn)膜79與校準(zhǔn)膜73 —樣是傾斜沉積無(wú)機(jī)膜，并覆蓋反射電極77。設(shè)置 校準(zhǔn)膜79是使其校準(zhǔn)方向與校準(zhǔn)膜73的方向一致。
液晶層69是在透明基板67與反射基板68之間的液晶分子75的厚度。例 如，這些液晶分子75是具有負(fù)介電各向異性的棒狀液晶分子。根據(jù)橫跨透明 基板67和反射基板68的電壓，這些液晶分子75轉(zhuǎn)向校準(zhǔn)膜73、 79的校準(zhǔn)方 向。
另一方面，當(dāng)電壓沒(méi)有施加到橫跨透明基板67和反射基板68時(shí)(下文稱 為電壓關(guān)閉狀態(tài))，校準(zhǔn)膜73、 79將液晶分子75定向?yàn)榛敬怪庇谝壕э@示 器件51的表面。在這種狀態(tài)下，液晶分子75對(duì)穿過(guò)液晶層69的光的偏振不
9起作用。也就是說(shuō)，在電壓關(guān)閉狀態(tài)，穿過(guò)液晶層69的光保持S偏振，由反
射電極77反射，然后進(jìn)入偏振電子束分裂器48。
例如，圖3A中，其中，液晶層69處于電壓關(guān)閉狀態(tài)，并且液晶分子對(duì)穿 過(guò)它們的光沒(méi)有作用，在不改變偏振的情況下，S偏振入射光70到達(dá)反射電 極77，反射回而再次穿過(guò)液晶層69，并且作為S偏振紅色信息光81進(jìn)入到偏 振電子束分裂器48。由于是S偏振光，所以該紅色信息光81由偏振電子束分 裂器48的偏振裂膜64反射，不到達(dá)分色棱鏡61。由此，當(dāng)像素在電壓關(guān)閉狀 態(tài)時(shí)，液晶顯示器件51呈現(xiàn)黑色(這里下文稱為黑狀態(tài))。
另一方面，當(dāng)電壓施加到橫跨透明電極72和反射電極77時(shí)，液晶分子75 在校準(zhǔn)膜73、 79的校準(zhǔn)方向上傾斜。這樣，根據(jù)液晶分子75的傾斜角，變化 穿過(guò)液晶層69的光的偏振方向。也就是說(shuō)，當(dāng)穿過(guò)電壓開(kāi)啟的液晶層69時(shí)， 至少部分光從S偏振光變成P偏振光，并進(jìn)入偏振電子束分裂器48。
例如，在圖3B中，其中，電壓橫跨液晶層69施加，多數(shù)液晶分子75在 校準(zhǔn)膜73、 79的校準(zhǔn)方向上傾斜。在這種狀態(tài)下，穿過(guò)液晶層69的光變?yōu)樾?息光82，該信息光82包括像入射光70的S偏振光成分和不包括在入射光70 中的P偏振光成分，并且然后進(jìn)入偏振電子束分裂器48。該信息光82是所謂 的橢圓偏振光，并且其S偏振光成分由偏振裂膜64反射，同時(shí)其P偏振光成 分通過(guò)偏振裂膜64傳輸進(jìn)入分色棱鏡61。由此，當(dāng)為每個(gè)像素調(diào)節(jié)電壓時(shí)， 穿過(guò)偏振裂膜64的P偏振光成分的量被調(diào)節(jié)，并且液晶顯示器件51呈現(xiàn)灰色。
另外，在圖3C中，其中，向橫跨液晶層69施加充足的電壓量，多數(shù)液晶 分子75在校準(zhǔn)膜73、 79的校準(zhǔn)方向上傾斜很大，以基本平行于液晶顯示器件 51的表面。在這種狀態(tài)下，因基本平行于表面的液晶分子75的雙折射，穿過(guò) 液晶層69的光將偏振狀態(tài)變?yōu)閹缀踔话≒偏振光成分的信息光83，并進(jìn)入 偏振電子束分裂器48。該信息光83能夠穿過(guò)偏振電子束分裂器48的偏振裂膜 64。由此，當(dāng)向像素施加足夠的電壓量時(shí)，液晶顯示器件51呈現(xiàn)最亮或紅色 (這里下文稱為明亮狀態(tài))。
延遲補(bǔ)償元件56設(shè)置在液晶層69與分析儀之間，以便它能補(bǔ)償從液晶層 69出來(lái)到偏振電子束分裂器48中的信息光的相位差。延遲補(bǔ)償元件56由負(fù)的 C感光板85和O感光板86組成。
如圖4所示，C感光板85 (單軸雙折射介質(zhì))具有垂直延遲補(bǔ)償元件56 表面的光軸L5，并補(bǔ)償傾斜穿過(guò)液晶層69的光的相位差。C感光板85是在例 如玻璃基板88的基體材料上的高折射率層91和低折射率層92的交替層疊。
10在該優(yōu)選實(shí)施例中，高折射率層91由高折射率電介質(zhì)材料Ti02形成，并
且低折射率層92由低折射率電介質(zhì)材料Si02組成。為了防止層間的反射和干 擾，C感光板85的每個(gè)折射率層優(yōu)選足夠薄。然而，為了確保C感光板85的 固有功能，降低每層厚度將停止增加層數(shù)，并將降低可制造性和產(chǎn)量。
因此，優(yōu)選控制光學(xué)厚度，即物理厚度和每個(gè)折射率層91、 92的折射率 的數(shù)學(xué)乘積足夠小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)X。具體地，優(yōu)選每個(gè)層的光學(xué)厚度不小于
入/100且不大于人/5，并且更優(yōu)選的光學(xué)厚度為不小于入/50且不大于X/10，且更 優(yōu)選的光學(xué)厚度為不小于X/30且不大于入/10。
高折射率層91可由Zr02等形成，并且低折射率層92可由MgF2等形成。 另外，取代使用玻璃基板88，高和低折射率層91、 92可直接堆疊在液晶顯示 器件51或0感光板86上。
由于它對(duì)平行于光軸L5的光等方向性，即垂直入射光，因此C感光板85 不能補(bǔ)償光的相位差。然而，C感光板85對(duì)傾斜入射光是非等方向性，并引 發(fā)雙折射。該特性使C感光板85可補(bǔ)償傾斜入射光的相位差并由此補(bǔ)償傾斜 穿過(guò)液晶層69的光的相位差。而且，C感光板85補(bǔ)償由0感光板86引起的 光的相位差。
如圖5所示，O感光板86是雙軸雙折射介質(zhì)，并例如由傾斜沉積膜93和 玻璃基板94組成。使用所謂的傾斜沉積方法，傾斜沉積膜93通過(guò)以一個(gè)角度 向玻璃基板94或這樣的基體材料上沉積例如Ta205的無(wú)機(jī)材料而形成。這種 方法制造的傾斜沉積膜93具有以由沉積的方向(沉積方向)96的沉積角度a 導(dǎo)致的特定角度(M頃斜的柱狀結(jié)構(gòu)凹槽。
因此，O感光板86通常是雙軸雙折射介質(zhì)。由此，如圖6所示，使用具 有三個(gè)主軸折射率nl、 n2和n3的半軸的折射率橢球102來(lái)估算穿過(guò)O感光板 86的光的雙折射。例如，彼此正交的XI和Yl軸固定在平行于O感光板86 的表面的平面上，并且Z1軸沿0感光板86表面的法線固定。沉積方向96固 定在X1-Z1平面，并且然后主軸折射率n2位于Xl-Zl平面。在這種情況下， O感光板86的最大主軸折射率或者nl通常以與沉積方向96的不同方向運(yùn)轉(zhuǎn)， 盡管它們位于相同的X1-Z1平面上，并且主軸折射率nl與Zl軸之間的傾斜角 ())小于沉積角a (otX)))。
當(dāng)折射率橢球102沿平行于O感光板86的平面并通過(guò)原點(diǎn)103切開(kāi)時(shí)， 切面104具有在XI軸方向半徑為nx并且在Yl軸方向半徑為ny的橢圓形。 由此，0感光板86對(duì)垂直入射光起到雙折射介質(zhì)作用，具有X1軸方向的折射
11率nx和Yl軸方向的折射率ny。另外，當(dāng)折射率nx大于折射率ny (nx>ny) 時(shí)，垂直入射光的最小折射率，即快速軸L6，在Y1軸方向上運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)折射率 nx小于折射率ny (nx<ny)時(shí)，相反，快速軸L6在XI軸方向上運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣， 折射率nx和ny之間是一種量的關(guān)系，也就是每個(gè)主軸折射率nl、 n2和n3對(duì) 角度小的關(guān)系，角度小決定0感光板86的快速軸L6是在XI軸方向還是在Yl 軸方向運(yùn)轉(zhuǎn)。由此，雖然本說(shuō)明書(shū)假設(shè)快速軸L6與0感光板86上的沉積方 向96的垂直投影一致(即XI軸方向)，但是快速軸L6并不必須在XI軸方 向上運(yùn)轉(zhuǎn)，而可以在Yl軸方向上運(yùn)轉(zhuǎn)。
實(shí)際上，0感光板86的每個(gè)折射率的方向?qū)⒏鶕?jù)真空度、基板溫度、沉 積的材料和沉積角度這樣的制造條件以及制造所使用的儀器而變化，并且由此 O感光板的特性不能完全預(yù)知。然而，在相同的制造條件和儀器的情況下，可 獲得基本相同屬性的O感光板，并且甚至可通過(guò)控制這些條件來(lái)調(diào)節(jié)所需要的 O感光板的光學(xué)特性。
盡管當(dāng)O感光板86由傾斜沉積方法制造時(shí)其通常是雙軸雙折射介質(zhì)，但 是，在一些情況下，制造條件的上述控制導(dǎo)致O感光板86成為所謂的單軸雙 折射介質(zhì)，例如，該單軸雙折射介質(zhì)的兩個(gè)主軸折射率n2和n3具有相同的大 小(n2 = n3)。這種單軸雙折射介質(zhì)可認(rèn)為是雙軸雙折射介質(zhì)的特殊狀態(tài)，并 應(yīng)該看作是單軸雙折射O感光板86。
應(yīng)該注意，延遲補(bǔ)償元件57、 58具有與延遲補(bǔ)償元件56相同的配置，并 且液晶顯示器件52、 53具有與液晶顯示器件51相同的配置。
如圖7所示，延遲補(bǔ)償元件56的C感光板85和O感光板86以如下順序 設(shè)置液晶顯示器件51、 0感光板86、 C感光板85和偏振電子束分裂器48。
如上所述，當(dāng)無(wú)電壓施加到液晶顯示器件51的像素上時(shí)，液晶分子75基 本垂直于液晶顯示器件51的表面排列。然而，如圖6所示，電壓關(guān)閉狀態(tài)中 的液晶分子75實(shí)際上從垂直方向以5度意向傾斜，以便不引發(fā)引起校準(zhǔn)缺陷 的反轉(zhuǎn)傾斜疇磁。
相互正交的X2和Y2軸固定在平行于液晶顯示器件51表面的平面上，并 且Z2軸垂直于液晶顯示器件51設(shè)置，也就是說(shuō)，平行于穿過(guò)液晶層69的光 的光軸(傳輸光軸)L7。另外，X2軸定向于關(guān)于偏振電子束分裂器48的偏振 裂膜64的S偏振光的電場(chǎng)振動(dòng)方向，并且Y2軸定向于P偏振光的電場(chǎng)振動(dòng)方 向。這樣，如圖7所示，在液晶分子75的傾斜方向與X2軸之間存在一個(gè)45 度角Y(方位角)，并且在液晶分子75的傾斜方向與Y2軸之間還存在一個(gè)45
12度角。
這樣，液晶分子75與X2-Y2平面形成傾斜角(3。根據(jù)每個(gè)像素施加的電壓， 傾斜角P在0度與85度之間變化。當(dāng)橫跨液晶層69施加足夠的電壓量時(shí)，傾 斜角卩變成接近0度，并且液晶分子75平行于X2-Y2平面定向。相反，在電壓 關(guān)閉狀態(tài)，傾斜角P變成85度，并且液晶分子75基本垂直于X2-Y2平面定向。 電壓關(guān)閉狀態(tài)的傾斜角P稱為預(yù)傾斜角，并且液晶分子75在校準(zhǔn)膜79的校準(zhǔn) 方向上從Z2軸和傳輸光軸L7以5度傾斜。
實(shí)際上，當(dāng)施加電壓時(shí)，校準(zhǔn)膜73、 79附近的液晶分子75保持與電壓關(guān) 閉狀態(tài)時(shí)同樣的狀態(tài)，然而，液晶層69中央的大多數(shù)液晶分子75改變了取向。
另外，如果如上所述預(yù)傾斜液晶分子75，那么，即使在黑狀態(tài)的像素中也 會(huì)引發(fā)取決于預(yù)傾斜的雙折射，并且一部分光可穿過(guò)偏振裂膜64。結(jié)果，幾乎 不重新產(chǎn)生全黑色，并且投影圖像的對(duì)比度下降。
甚至當(dāng)電壓橫跨液晶層69施加時(shí)，如電壓關(guān)閉狀態(tài)一樣，臨近校準(zhǔn)膜73、 79的液晶分子75的預(yù)傾斜也引起光的雙折射。這樣， 一些偏振光成分可穿過(guò) 偏振裂膜64，并且投射圖像呈現(xiàn)低對(duì)比度。
由此，設(shè)置0感光板86，以使快速軸L6與液晶分子75的傾斜方向L8相 互平行。也就是說(shuō)，設(shè)置0感光板86,以使得傾斜沉積膜93的沉積方向在液 晶顯示器件51上的垂直投影與液晶分子75的傾斜方向L8 —致。
在這樣設(shè)置的O感光板86與偏振電子束分裂器48之間，設(shè)置具有平行于 Z2軸的光軸L5的C感光板85。
當(dāng)這樣設(shè)置延遲補(bǔ)償元件56時(shí)，垂直穿過(guò)液晶層69的光將具有因取決于 液晶分子75的預(yù)傾斜的雙折射的相位差。然而，當(dāng)光穿過(guò)0感光板86時(shí)，補(bǔ) 償該相位差。另外，穿過(guò)0感光板86的光的相位差通過(guò)C感光板85補(bǔ)償。 這樣，液晶層69上的垂直入射光的相位差通過(guò)O感光板86和C感光板85適 當(dāng)補(bǔ)償，且由此可防止黑狀態(tài)期間光穿過(guò)偏振電子束分裂器48的偏振裂膜64。
另一方面，傾斜穿過(guò)液晶層69的光，或所謂的偏斜射線的相位差通過(guò)O 感光板86和C感光板85而補(bǔ)償。C感光板85還補(bǔ)償傾斜穿過(guò)O感光板86 的光的相位差。也就是，傾斜穿過(guò)液晶層69的光成為具有因取決于液晶分子 75預(yù)傾斜角p的雙折射的相位差。然而，該相位差通過(guò)0感光板86和C感光 板85充分補(bǔ)償。由此，可防止黑狀態(tài)中光穿過(guò)偏振裂膜64。
這樣，延遲補(bǔ)償元件56補(bǔ)償取決于液晶分子75預(yù)傾斜的相位差，以及傾 斜穿過(guò)液晶層69的光的相位差。
13然后，參考實(shí)例l，將解釋延遲補(bǔ)償元件56的運(yùn)行。下文，由于相位差取 決于穿過(guò)液晶顯示器件和延遲補(bǔ)償元件的光的波長(zhǎng)和其它特性，所以，也就是
說(shuō)，相位差由延遲取代。延遲dAn，由方程dAn二d'(nx-ny)表示，其中，d表 示延遲補(bǔ)償元件的物理厚度，nx表示元件表面上的最大主軸折射率，以及ny 表示元件表面上的最小主軸折射率。另外，液晶層和C感光板厚度方向的延遲 Rth由方程Rth二d(nz-(nx+ny)/2〉表示。 [實(shí)例1]
準(zhǔn)備的液晶顯示器件具有+200nm的延遲Rth (液晶層厚度方向上)以及 85度預(yù)傾斜角的液晶分子。然后，從具有+4nm延遲和20.5度的最大主軸折射 率nl的傾斜角(j)的0感光板，以及在-120nm厚度方向具有延遲Rth的C感光 板中準(zhǔn)備延遲補(bǔ)償元件。這些液晶顯示器件和延遲補(bǔ)償元件組合構(gòu)成投影儀， 并且測(cè)量經(jīng)由以偏振器和分析儀作用的偏振電子束分裂器的液晶顯示器件的 干涉圖像，以估算液晶顯示器件和投影儀的對(duì)比度。干涉圖像在液晶顯示器件 法線中點(diǎn)周圍-3(Ke《+30和0^)《360范圍內(nèi)被測(cè)得，其中，小表示中點(diǎn)周圍的
旋轉(zhuǎn)角，并且e表示中點(diǎn)相交的法線之間的尺寸角度。
實(shí)例1中的0感光板通過(guò)以45度沉積角a傾斜沉積Ta20s形成，并具有 1.800最大主軸折射率nl、 1.784主軸折射率n2、 1.742主軸折射率n3和20.5 度主軸折射率nl的傾斜角())。結(jié)果，折射率nx小于折射率ny (nX<ny)，并且 0感光板的快速軸L6與0感光板上的沉積方向的垂直投影一致。
如圖8干涉圖像所示，其中，僅使用C感光板作為延遲補(bǔ)償元件，傳輸光 通量最低，并且最佳對(duì)比度點(diǎn)(下文稱為最黑點(diǎn))98不在液晶顯示器件的法線 上(9 = 0)。這導(dǎo)致因取決于液晶分子預(yù)傾斜的雙折射的不可控的穿過(guò)分析儀 的光的出現(xiàn)。
通過(guò)對(duì)比，如圖9干涉圖像所示，其中，使用C感光板和O感光板作為 延遲補(bǔ)償元件，最黑點(diǎn)98在液晶顯示器件法線上(6 = 0)。這意味著由取決 于液晶分子預(yù)傾斜的雙折射引起的相位差己經(jīng)通過(guò)O感光板補(bǔ)償了。
然后，為了估算延遲補(bǔ)償元件的效率，準(zhǔn)備具有1100: 1對(duì)比率的投影儀， 并與延遲補(bǔ)償元件組合。僅有C感光板時(shí)，投影儀的對(duì)比率升高到1600: 1。 當(dāng)延遲補(bǔ)償元件由C感光板和O感光板組成時(shí)，投影儀的對(duì)比率升高到2400: 1。這些結(jié)果表明當(dāng)投影儀與本發(fā)明的延遲補(bǔ)償元件組合時(shí)，其在相當(dāng)廣泛的 視角內(nèi)充分提高了對(duì)比率。
如上所述，在使用延遲補(bǔ)償元件的情況下，本發(fā)明的液晶顯示器件和液晶
14投影儀可適當(dāng)補(bǔ)償取決于VAN-LCD的液晶分子預(yù)傾斜的相位差，并改善對(duì)比 度。另外，由C感光板和雙折射O感光板組成的延遲補(bǔ)償元件補(bǔ)償傾斜穿過(guò) VAN-LCD的光的相位差，并提高視角。
而且，在本發(fā)明中，使用通過(guò)傾斜沉積方法形成的雙折射O感光板可方便 并廉價(jià)地制造延遲補(bǔ)償元件，否則其需要像層疊許多延遲膜或在多個(gè)不同方向 拉伸聚合物薄膜的繁重工藝和昂貴的儀器。該延遲補(bǔ)償元件還耐用和持久。
雖然上述優(yōu)選實(shí)施例利用了 O感光板的雙折射特性，并且引入VAN-LCD 的延遲補(bǔ)償元件包括單個(gè)O感光板，但是延遲補(bǔ)償元件可具有多個(gè)O感光板。
雖然上述實(shí)施例中的VAN-LCD是其液晶分子都定向在相同的校準(zhǔn)方向的 單疇磁型，但是本發(fā)明的延遲補(bǔ)償元件適用于其像素分成不同校準(zhǔn)方向的疇磁 的多疇磁型VAN-LCD。
在上述實(shí)施例中，C感光板用不同折射率的層交替層疊。然而，C感光板 可以是三乙酰纖維素(TAC)的拉伸膜。除了 TAC膜，C感光板還可以是例 如由聚碳酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚砜薄膜(polysulfone film)、聚烯烴薄 膜和多芳基化合物薄膜制造而成。
雖然在上述實(shí)施例中延遲補(bǔ)償元件設(shè)置在液晶顯示器件與偏振電子束分 裂器之間，但是延遲補(bǔ)償元件僅需要設(shè)置在液晶層與偏振裂膜之間。由此，延 遲補(bǔ)償元件可與液晶顯示器件或偏振電子束分裂器集成。
盡管在上述實(shí)施例中O感光板和C感光板以如下順序設(shè)置液晶顯示器 件、O感光板、C感光板和偏振電子束分裂器，但是，可反轉(zhuǎn)O感光板和C感 光板的順序。另外，O感光板和C感光板不需要彼此臨近，但是，替代地，它 們可在液晶顯示器件和偏振電子束分裂器上分別分離設(shè)置。
在上述實(shí)施例中，液晶投影儀具有R、 G和B色的三種液晶顯示器件。然 而，投影儀可具有單個(gè)液晶顯示器件，以快速變換R、 G和B圖像，并且通過(guò) 在液晶顯示器件上選擇性投射R、 G和B色光來(lái)生成全色投影圖像。
而且，上述實(shí)施例中，液晶顯示器件用在軸上(on-axis)系統(tǒng)中，該系統(tǒng) 從垂直方向向液晶顯示器件發(fā)送光，并將液晶顯示器件反射的信息光向垂直方 向投射。然而，液晶顯示器件可用在離軸系統(tǒng)中，該系統(tǒng)從例如傾斜方向向液 晶顯示器件傳送光，并將液晶顯示器件反射的信息光向不同于入射方向的傾斜 方向投射。
雖然上述實(shí)施例沒(méi)有闡述通常的功能附加層，例如抗反射層和抗閃耀層， 但是優(yōu)選與相位補(bǔ)償層一起使用這些通常的功能附加層。
1權(quán)利要求
1、一種反射型液晶顯示器件，該反射型液晶顯示器件具有液晶顯示單元，其中，在該液晶顯示單元中，液晶分子在無(wú)電壓施加到液晶層時(shí)基本垂直于單元基板排列，該反射型液晶顯示器件包括雙軸雙折射介質(zhì)，該雙軸雙折射介質(zhì)由傾斜沉積無(wú)機(jī)材料形成，并具有傾斜于所述VAN液晶單元表面的光軸和與所述無(wú)機(jī)材料在所述單元表面上的沉積方向的垂直投影一致的快速軸，所述雙軸雙折射介質(zhì)補(bǔ)償由所述液晶分子向所述單元基板傾斜引起的相位差。
2、 如權(quán)利要求l所述的反射型液晶顯示器件，其中進(jìn)一步包括 單軸雙折射介質(zhì)，該單軸雙折射介質(zhì)與所述雙軸雙折射介質(zhì)組合，并具有垂直于所述單元表面的光軸，所述單軸雙折射介質(zhì)補(bǔ)償傾斜穿過(guò)液晶層的光的 相位差和穿過(guò)所述雙軸雙折射介質(zhì)的光的相位差。
3、 如權(quán)利要求2所述的反射型液晶顯示器件，其中所述單軸雙折射介 質(zhì)是高和低折射率無(wú)機(jī)層的交替層疊。
4、 如權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器件，其中設(shè)置所述雙軸雙折 射介質(zhì)是使所述雙軸雙折射介質(zhì)的所述快速軸與所述液晶分子的傾斜方向一 致。
5、 如權(quán)利要求1所述的反射型液晶顯示器件，其中設(shè)置所述雙軸雙折 射介質(zhì)是使所述雙軸雙折射介質(zhì)的所述快速軸向所述液晶分子的所述傾斜方 向的相反方向運(yùn)轉(zhuǎn)。
6、 一種反射型液晶投影儀，用于放大和投射顯示在反射型液晶顯示器件中的圖像，該反射型液晶顯示器件具有液晶顯示單元，其中，在該液晶顯示單 元中，液晶分子在無(wú)電壓施加到液晶層時(shí)基本垂直于單元基板排列，所述反射型液晶顯示器件包括雙軸雙折射介質(zhì)，該雙軸雙折射介質(zhì)由傾斜沉積無(wú)機(jī)材料形成，并具有傾斜于所述VAN液晶單元表面的光軸和與所述無(wú)機(jī)材料在所述單元表面上的沉 積方向的垂直投影一致的快速軸，所述雙軸雙折射介質(zhì)補(bǔ)償由所述液晶分子向 所述單元基板傾斜引起的相位差。
全文摘要
延遲補(bǔ)償元件(56)由C感光板(85)和O感光板(86)組成。O感光板(86)是由傾斜沉積有機(jī)材料形成的雙軸雙折射介質(zhì)。O感光板(86)的快速軸(L6)平行于O感光板(86)表面上的沉積方向(96)的垂直投影。在液晶顯示器件(51)與偏振電子束分裂器(48)之間，設(shè)置O感光板(86)，以使得快速軸(L6)和液晶分子(75)的傾斜方向(L8)彼此平行，并且沉積方向(96)和傾斜方向(L8)相對(duì)Z2軸朝向相反方向。C感光板(86)與O感光板(85)一起設(shè)置在液晶顯示器件(51)與偏振電子束分裂器(48)之間。
文檔編號(hào)G02F1/1335GK101558354SQ20078004631
公開(kāi)日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2007年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月27日
發(fā)明者中川謙一, 橋爪太朗, 高橋裕樹(shù) 申請(qǐng)人:富士膠片株式會(huì)社