反射型液晶显示器件以及反射型液晶投影仪的制作方法

专利名称：反射型液晶显示器件以及反射型液晶投影仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种反射型液晶显示器件和一种反射型液晶投影仪，更具体地
说，是涉及一种具有垂直排列向列(VAN)液晶的反射型液晶显示器件以及反
射型液晶投影仪。
背景技术：
在各种电子硬件中都可发现液晶显示器件(这里下文称为LCD)，例如计算器、电子字典、电视和数码相机的显示屏、汽车导航系统、便携式电话和计算机的监视器以及投影仪的显示板。
根据液晶层的运行模式，LCD可被分为几种类型，例如TN(扭曲向列)LCD、 VAN (垂直排列向列)LCD、 IPS (平面转换)LCD禾卩OCB (光学补偿性弯曲)LCD。根据电子硬件的用途和所需功能，选择其中一种运行模式。
例如，VAN-LCD在一对基板之间包括向列液晶分子，每个基板在内表面上具有一垂直排列薄膜，并且当没有电压施加到液晶层时(这里下文称为电压关闭状态)，这些液晶分子与基板完全垂直排列。当在横跨VAN-LCD的正交尼科尔棱晶中提供一对极化板，并且在电压关闭状态从前面观察VAN-LCD时，黑颜色以极高的对比度被显示。
由于该性质，需要显示具有高对比度的放大图像的液晶投影仪使用了VAN-LCD。然而，当从前面观看而提供良好对比度的同时，与其它运行模式类似，当从倾斜角度观看时VAN-LCD几乎不能保持良好的显示特性，并导致对比度降低或引起中性色彩亮度反转的色调改变。这些缺点部分是取决于液晶层上倾斜的入射光。该倾斜入射光随后由液晶层的双折射转变为椭圆偏振光，并穿过一分析仪。
因此提出使用具有垂直表面运转的光轴的延迟补偿元件，该元件称为C感光板，以用来补偿倾斜穿过液晶层的光的相位差(例如参见日本未审专利公开号为No.2004-145268的专利文件)。
如果用微电极结构将液晶层驱动为排列浓密的像素阵列，那么当电压施加到临近电压关闭像素的像素时生成的横向电场产生相反的倾斜区域，并引起不良的液晶分子排列，其中对于电压关闭像素的液晶分子相对预定方向排列。为了防止不良排列并稳定LCD的运行，液晶分子必须以预定的角度事先倾斜(这
3里下文称为预倾斜)。理想地，对于VAN-LCD，处于电压关闭状态的液晶分子需要以从正常方向离基板3到IO度的角度预倾斜。
然而，在VAN-LCD这样的配置中，取决液晶分子的预倾斜的双折射导致垂直穿过液晶层的光具有相位差，并降低了 VAN-LCD的对比度。
因此提出使用具有平行于表面的光轴的延迟补偿元件(该元件称为A感光板)与C感光板，以用来阻止因预倾斜导致的对比度下降(例如参见Claire Gu& Pochi Yeh的"扩展的琼斯矩阵方法.II (Extended Jones matrix method. II)"，Journal of Optical Society of America A/vol. 10 No. 5/1993年5月p966-973)。
人们还提出了层叠两个或多个延迟补偿元件，其光轴倾斜表面运转，该元件称为O感光板，以用来以任意灰阶扩展TN-LCD的视角。更具体的，通过将C感光板或A感光板与一对O感光板相结合，来提高TN-LCD的对比度，该O感光板以彼此垂直的快速轴被排列(例如参见美国专利No.5,638,197)。
当C感光板单独使用时，其可补偿液晶器件上倾斜入射的光的相位差。但是，C感光板不能补偿因液晶分子预倾斜导致的双折射引起的相位差。
另一方面，当C感光板和A感光板一起使用时，不仅在材料上几乎没有选择，并且实际上没有材料可提供高水平的耐用性和大规模生产。例如，当A感光板通常由单轴延伸的聚合物薄膜或由微加工工艺制成的双折射延迟感光板组成，聚合物薄膜并不很耐用且双折射延迟感光板不适合大规模生产。
而且，当两个O感光板以其快速轴彼此呈直角层叠时，该O感光板对与沿表面法线方向移动的光同方向，并且几乎不补偿垂直穿过VAN-LCD的光的
相位差。也就是说，这些o感光板不能补偿因液晶分子的预倾斜产生的相位差。
具体地，美国专利No.5,638,197简单公开了在TN-LCD中使用双轴O感光板，其中没有教导如何建立O感光板，例如双轴O感光板的角度。由此，该专利文件公开的内容不能简单应用到VAN-LCD中。
综上所述，本发明的主要目的是提供一种可通过补偿取决于液晶分子预倾斜的相位差和液晶层上倾斜入射光的相位差来提高对比度和视角的反射型V AN-LCD(反射型液晶显示器件)。
本发明的另一目的是提供一种具有这种VAN-LCD的反射型液晶投影仪。

发明内容
为了实现上述和其它目的，本发明的反射型液晶显示器件包括由倾斜沉积无机材料形成的双轴双折射介质。该双轴双折射介质具有倾斜于VAN液晶单元表面的光轴，并还具有与表面上无机材料的沉积方向的垂直投影一致的快速
4轴。该VAN液晶单元具有液晶层，在该液晶层中，液晶分子在无电压施加到液晶层时基本垂直于单元基板排列，并且双轴双折射介质补偿由液晶分子倾斜于单元表面造成的相位差。
还优选提供具有单轴双折射介质的反射型液晶显示器件，该单轴双折射介
质具有垂直于VAN液晶单元表面的光轴。该单轴双折射介质与双轴双折射介
质组合，并补偿倾斜穿过液晶层的光的相位差和穿过双轴双折射介质的光的相位差。
单轴双折射介质是高折射率和低折射率无机层的交替堆叠。优选设置双轴双折射介质，以使得双轴双折射介质的快速轴与液晶分子的
倾斜方向彼此一致。还优选设置双轴双折射介质，以使得快速轴与倾斜方向相
对运转。
本发明的反射型液晶投影仪将形成在上述反射型液晶显示器件的图像投射在屏幕上。
根据本发明，双轴双折射介质补偿取决于VAN-LCD中的液晶分子预倾斜的相位差和液晶层上入射光的相位差。由此，提高了 VAN-LCD中的对比度和视角。另外，当配有这种反射型液晶显示器件时，反射型液晶投影仪提高了对比度。


图1是本发明具有延迟补偿元件的投影仪的外部透视图；图2是示出投影仪光学结构的框图3A至图3C是液晶显示器件和延迟补偿元件的设置说明图4是C感光板的截面图；图5是0感光板的说明图6是代表O感光板光学特性的折射率椭球的说明图；图7是液晶显示器件配置O感光板的说明图8是仅使用C感光板作为延迟补偿元件的投影仪的视角特性的干涉图
像；
图9是具有本发明延迟补偿元件的投影仪的视角特性的干涉图像。
具体实施例方式
参考图l，本发明的投影仪IO包括投影透镜16、投影仪驱动器17以及显示光学系统18。
在机架19的上表面上，投影仪10还具有变焦刻度盘21、聚焦刻度盘22
5以及光量调节器刻度盘23。在机架19的后表面上，提供有一个或多个连接终
端(未示出)，以用于连接计算机和其它外部器件。
投影透镜16放大来自显示光学系统18的投射光，并将它投射到屏幕24 上(参见图2)。例如，投影透镜16由变焦透镜、聚焦透镜和孔径光阑组成。 变焦透镜和聚焦透镜沿着投射光的轴(投射光轴)Ll移动。变焦透镜随着变 焦刻度盘21的操作而移动，以调节投射图像的放大倍率。聚焦透镜随着聚焦 刻度盘22的操作或变焦透镜的移动而移动，以调节投射图像的焦点。孔径光 阑响应光量调节器刻度盘23的操作而变化孔径尺寸，以调节投射图像的亮度。
投影仪驱动器17控制投影仪10的每个部件。例如，投影仪驱动器17接 收来自连接到投影仪10的计算机的图像数据，并将该图像显示在下述的液晶 显示器件上。
另外，投影仪驱动器17包括移动投影透镜16的电动机，并且根据变焦刻 度盘21、聚焦刻度盘22和光量调节器刻度盘23的操作分别驱动这些电动机。
显示光学系统18将来自光源的光分成红色、绿色和蓝色光，并通过向相 应的液晶显示器件51、 52和53投射红色、绿色和蓝色光来生成每种颜色的信 息光(参见图2)，其中每个液晶显示器件51、 52、 53显示红、绿或蓝颜色的 图像。然后，显示光学系统18将该信息光合成为投射光，并通过投影透镜16 将它投射到屏幕24上。
如图2所示，显示光学系统18包括光源31和从由光源31发射的光生成 信息光的信息光生成部分32。
光源31包括灯33、反射镜34、紫外截止滤波片36、合成器37、偏振单 元38、传递透镜41和校准透镜42。
灯33是高强度光源，例如氙灯，其发射没有特定偏振方向的自然白光。 从灯33发射的白光穿过紫外截止滤波片36并进入合成器37。
紫外截止滤波片36从白光中消除紫外光成分，以使来自灯33的白光不会 退色或破坏由高分子重量有机聚合物等形成的过滤器(未示出)。
例如，反射镜34为椭圆镜，并且灯33位于椭圆表面的焦点附近。反射镜 34的其它焦点位于合成器37的一端附近。由此，来自灯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镜阵列组成，该合成 器37收集灯33发出的白光，并通过传递透镜41将它引导到校准透镜42。入 射到合成器37上的光量随着光远离光源的光轴(光源光轴)L2而减少，并在
6光源光轴L2周围非均匀分布。合成器37将光的不均匀分布转变为在光源光轴 L2周围预定区域内均匀分布。由此，投射图像的亮度在屏幕24上基本均匀。
校准透镜42使来自合成器37的光平行于光源光轴L2。在来自校准透镜 42的光中，偏振单元38将垂直偏振光成分传输到该图纸表面(这里下文称为 S偏振光成分)，同时将对于该图纸表面的水平偏振光成分(这里下文称为P 偏振光成分)转变成S偏振光成分。然后，S偏振光成分的光束被引导到信息 光生成部分32的分色镜46。
信息光生成部分32包括分色镜46、 47、偏振电子束分裂器48、 49、 50、 液晶显示器件51、 52、 53 (反射型液晶显示器件)、延迟补偿元件56、 57、 58和分色棱镜61。
设置分色镜46是为在表面法线与光源光轴L2之间形成45度角。该分色 镜46仅将来自光源31的S偏振白光中的红色光传输到反射镜43。反射镜43 将穿过分色镜46的红色光反射到偏振电子束分裂器48。另外，分色镜46将S 偏振白光中的绿色和蓝色光传输到分色镜47。
设置分色镜47是为在表面法线与入射光光轴之间形成45度角。分色镜47 将来自分色镜46的S偏振光中的绿色光反射到偏振电子束分裂器49，同时将 蓝色光传输到偏振电子束分裂器50。
偏振电子束分裂器48是由两个倾斜面彼此接触的三角棱镜组成的立方体。 在两个棱镜之间，设置偏振裂膜64。偏振裂膜64反射45度入射的光的S偏振 光成分，同时传输P偏振光成分。
由于这种结构，偏振电子束分裂器48反射来自分色镜46通过反射镜43 的S偏振红色光，并将光导向液晶显示器件51。现在变为S偏振红色信息光 的光从液晶显示器件51重新进入偏振电子束分裂器48，并且反射出偏振裂膜 64。另一方面，来自液晶显示器件51的P偏振红色信息光穿过偏振裂膜64并 进入分色棱镜61。
偏振电子束分裂器49具有与偏振电子束分裂器48相同的结构，并包括偏 振裂膜65。来自分色镜47的S偏振绿色光由偏振裂膜65反射并导向液晶显示 器件52。从液晶显示器件52重新进入的S偏振绿色信息光由偏振裂膜65反射。 另一方面，P偏振绿色信息光穿过偏振裂膜65并进入分色棱镜61。
偏振电子束分裂器50也具有与偏振电子束分裂器48相同的结构，并包括 偏振裂膜66。来自分色镜47的S偏振蓝色光由偏振裂膜66反射并导向液晶显 示器件53。从液晶显示器件53重新进入的S偏振蓝色信息光由偏振裂膜66
7反射。另一方面，P偏振蓝色信息光穿过偏振裂膜66并进入分色棱镜61。
液晶显示器件51是反射型VAN-LCD。也就是说，液晶显示器件51具有 液晶层，其中，在液晶层中，液晶分子在电压关闭状态垂直表面排列。在液晶 显示器件51中，横跨液晶层的电压根据逐个像素偏压调节，以改变液晶分子 的取向。根据液晶分子的取向，控制穿过像素的P偏振光的作用，并显示图像。
由投影仪驱动器17驱动，液晶显示器件51显示从计算机等重新得到的投 射图像数据的红色成分的亮度图像。当穿过液晶显示器件51时，红色光变成 红色信息光，该红色信息光携带投射图像的红色成分的信息。
液晶显示器件52也是由投影仪驱动器17驱动的反射型VAN-LCD，并且 显示投射图像数据的绿色成分的亮度图像。当穿过液晶显示器件52时，绿色 光变成绿色信息光，该绿色信息光携带投射图像的绿色成分的信息。
液晶显示器件53也是由投影仪驱动器17驱动的反射型VAN-LCD，并显 示投射图像数据的蓝色成分的亮度图像。当穿过液晶显示器件53时，蓝色光 变成蓝色信息光，该蓝色信息光携带投射图像的蓝色成分的信息。
延迟补偿元件56补偿从液晶显示器件51向偏振电子束分裂器48传播的 红色信息光的相位差。也就是说，延迟补偿元件56将倾斜穿过液晶显示器件 51的光的相位改变成没有穿过作为分析仪的偏振电子束分裂器48的相位。而 且，延迟补偿元件56补偿通过取决于液晶分子预倾斜的双折射而垂直穿过液 晶显示器件51的光中引起的相位差。
类似地，延迟补偿元件57补偿从液晶显示器件52向偏振电子束分裂器49 传播的绿色信息光的相位差，并且延迟补偿元件58补偿从液晶显示器件53向 偏振电子束分裂器50传播的蓝色信息光的相位差。
分色棱镜61是玻璃元件或者具有立方形状的透明元件，其包括相互垂直 的分色表面62、 63。分色表面62反射红色光，同时传输绿色光。分色表面63 反射蓝色光，同时传输绿色光。
因此，分别来自液晶显示器件51、 52及53的红、绿和蓝色信息光由分色 棱镜61合成为投射光，其然后导入到投影透镜16并全色投射到屏幕24上。
更具体地，如图3A所示，延迟补偿元件56设置在液晶显示器件51与偏 振电子束分裂器48之间。液晶显示器件包括透明基板67、反射基板68和位于 透明基板67与反射基板68之间的液晶层69。液晶显示器件51是所谓的LCOS (硅上液晶)器件，在半导体基板上具有液晶层的反射型液晶显示器件。
例如，透明基板67由玻璃基板71、透明电极72和校准膜73组成。这些
8部件从光源侧以如下顺序设置玻璃基板71、透明电极72和校准膜73。透明 基板67全由透明材料形成，并由此传输几乎所有来自偏振电子束分裂器48的 S偏振红色光。
例如，透明电极72是氧化锡铟(ITO)薄膜，并通过溅射、电子束蒸发或 这样的公知方法形成在玻璃基板71上。当电压施加到透明电极72和下述反射 电极77时，透明电极72为液晶显示器件51的每个像素发挥普通电极的作用。
校准膜73是由例如SiO的无机材料形成的倾斜沉积薄膜，并具有由材料 沉积方向决定的方向性(这里下文称为校准方向)。在校准膜73与另外的校 准膜79之间的液晶分子在校准膜79的校准方向上定向。校准膜可以是所谓的 聚酰亚胺膜，具有聚酰亚胺胶结的高重量分子聚合体的薄膜。然而，当与这种 有机校准膜比较时，倾斜沉积无机膜更耐用，并确保每个部件长时间的稳定运 行。由此优选使用倾斜沉积无机膜作为VAN-LCD的校准膜。
反射基板68包括硅等的半导体基板74、在半导体基板74上的像素驱动电 路76、反射电极77和校准膜79。在半导体基板74上，以如下顺序设置这些 元件像素驱动电路76、反射电极77和校准膜79。反射基板68反射从偏振 电子束分裂器48入射到液晶层69上的光，并将光送回到偏振电子束分裂器48。
反射电极77由例如银或铝的光亮金属形成，并提供在半导体基板74上。 反射电极77反射来自偏振电子束分裂器48的入射光，以将光传送回偏振电子 束分裂器48。反射电极77提供给液晶显示器件51的每个像素，并且以逐个像 素为基础控制横跨它施加的电压和透明电极72。
例如，像素驱动电路76是由一种表面处理工艺直接形成在半导体基板74 上的集成电路。反射电极77位于每个像素驱动电路76上。每个像素驱动电路 76立刻与上面的反射电极77连接，并控制施加到反射电极77的电压。
校准膜79与校准膜73 —样是倾斜沉积无机膜，并覆盖反射电极77。设置 校准膜79是使其校准方向与校准膜73的方向一致。
液晶层69是在透明基板67与反射基板68之间的液晶分子75的厚度。例 如，这些液晶分子75是具有负介电各向异性的棒状液晶分子。根据横跨透明 基板67和反射基板68的电压，这些液晶分子75转向校准膜73、 79的校准方 向。
另一方面，当电压没有施加到横跨透明基板67和反射基板68时(下文称 为电压关闭状态)，校准膜73、 79将液晶分子75定向为基本垂直于液晶显示 器件51的表面。在这种状态下，液晶分子75对穿过液晶层69的光的偏振不
9起作用。也就是说，在电压关闭状态，穿过液晶层69的光保持S偏振，由反
射电极77反射，然后进入偏振电子束分裂器48。
例如，图3A中，其中，液晶层69处于电压关闭状态，并且液晶分子对穿 过它们的光没有作用，在不改变偏振的情况下，S偏振入射光70到达反射电 极77，反射回而再次穿过液晶层69，并且作为S偏振红色信息光81进入到偏 振电子束分裂器48。由于是S偏振光，所以该红色信息光81由偏振电子束分 裂器48的偏振裂膜64反射，不到达分色棱镜61。由此，当像素在电压关闭状 态时，液晶显示器件51呈现黑色(这里下文称为黑状态)。
另一方面，当电压施加到横跨透明电极72和反射电极77时，液晶分子75 在校准膜73、 79的校准方向上倾斜。这样，根据液晶分子75的倾斜角，变化 穿过液晶层69的光的偏振方向。也就是说，当穿过电压开启的液晶层69时， 至少部分光从S偏振光变成P偏振光，并进入偏振电子束分裂器48。
例如，在图3B中，其中，电压横跨液晶层69施加，多数液晶分子75在 校准膜73、 79的校准方向上倾斜。在这种状态下，穿过液晶层69的光变为信 息光82，该信息光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，并且然后进入偏振电子束分裂器48。该信息光82是所谓 的椭圆偏振光，并且其S偏振光成分由偏振裂膜64反射，同时其P偏振光成 分通过偏振裂膜64传输进入分色棱镜61。由此，当为每个像素调节电压时， 穿过偏振裂膜64的P偏振光成分的量被调节，并且液晶显示器件51呈现灰色。
另外，在图3C中，其中，向横跨液晶层69施加充足的电压量，多数液晶 分子75在校准膜73、 79的校准方向上倾斜很大，以基本平行于液晶显示器件 51的表面。在这种状态下，因基本平行于表面的液晶分子75的双折射，穿过 液晶层69的光将偏振状态变为几乎只包括P偏振光成分的信息光83，并进入 偏振电子束分裂器48。该信息光83能够穿过偏振电子束分裂器48的偏振裂膜 64。由此，当向像素施加足够的电压量时，液晶显示器件51呈现最亮或红色 (这里下文称为明亮状态)。
延迟补偿元件56设置在液晶层69与分析仪之间，以便它能补偿从液晶层 69出来到偏振电子束分裂器48中的信息光的相位差。延迟补偿元件56由负的 C感光板85和O感光板86组成。
如图4所示，C感光板85 (单轴双折射介质)具有垂直延迟补偿元件56 表面的光轴L5，并补偿倾斜穿过液晶层69的光的相位差。C感光板85是在例 如玻璃基板88的基体材料上的高折射率层91和低折射率层92的交替层叠。
10在该优选实施例中，高折射率层91由高折射率电介质材料Ti02形成，并
且低折射率层92由低折射率电介质材料Si02组成。为了防止层间的反射和干 扰，C感光板85的每个折射率层优选足够薄。然而，为了确保C感光板85的 固有功能，降低每层厚度将停止增加层数，并将降低可制造性和产量。
因此，优选控制光学厚度，即物理厚度和每个折射率层91、 92的折射率 的数学乘积足够小于可见光波长X。具体地，优选每个层的光学厚度不小于
入/100且不大于人/5，并且更优选的光学厚度为不小于入/50且不大于X/10，且更 优选的光学厚度为不小于X/30且不大于入/10。
高折射率层91可由Zr02等形成，并且低折射率层92可由MgF2等形成。 另外，取代使用玻璃基板88，高和低折射率层91、 92可直接堆叠在液晶显示 器件51或0感光板86上。
由于它对平行于光轴L5的光等方向性，即垂直入射光，因此C感光板85 不能补偿光的相位差。然而，C感光板85对倾斜入射光是非等方向性，并引 发双折射。该特性使C感光板85可补偿倾斜入射光的相位差并由此补偿倾斜 穿过液晶层69的光的相位差。而且，C感光板85补偿由0感光板86引起的 光的相位差。
如图5所示，O感光板86是双轴双折射介质，并例如由倾斜沉积膜93和 玻璃基板94组成。使用所谓的倾斜沉积方法，倾斜沉积膜93通过以一个角度 向玻璃基板94或这样的基体材料上沉积例如Ta205的无机材料而形成。这种 方法制造的倾斜沉积膜93具有以由沉积的方向(沉积方向)96的沉积角度a 导致的特定角度(M顷斜的柱状结构凹槽。
因此，O感光板86通常是双轴双折射介质。由此，如图6所示，使用具 有三个主轴折射率nl、 n2和n3的半轴的折射率椭球102来估算穿过O感光板 86的光的双折射。例如，彼此正交的XI和Yl轴固定在平行于O感光板86 的表面的平面上，并且Z1轴沿0感光板86表面的法线固定。沉积方向96固 定在X1-Z1平面，并且然后主轴折射率n2位于Xl-Zl平面。在这种情况下， O感光板86的最大主轴折射率或者nl通常以与沉积方向96的不同方向运转， 尽管它们位于相同的X1-Z1平面上，并且主轴折射率nl与Zl轴之间的倾斜角 ())小于沉积角a (otX)))。
当折射率椭球102沿平行于O感光板86的平面并通过原点103切开时， 切面104具有在XI轴方向半径为nx并且在Yl轴方向半径为ny的椭圆形。 由此，0感光板86对垂直入射光起到双折射介质作用，具有X1轴方向的折射
11率nx和Yl轴方向的折射率ny。另外，当折射率nx大于折射率ny (nx>ny) 时，垂直入射光的最小折射率，即快速轴L6，在Y1轴方向上运转。当折射率 nx小于折射率ny (nx<ny)时，相反，快速轴L6在XI轴方向上运转。这样， 折射率nx和ny之间是一种量的关系，也就是每个主轴折射率nl、 n2和n3对 角度小的关系，角度小决定0感光板86的快速轴L6是在XI轴方向还是在Yl 轴方向运转。由此，虽然本说明书假设快速轴L6与0感光板86上的沉积方 向96的垂直投影一致(即XI轴方向)，但是快速轴L6并不必须在XI轴方 向上运转，而可以在Yl轴方向上运转。
实际上，0感光板86的每个折射率的方向将根据真空度、基板温度、沉 积的材料和沉积角度这样的制造条件以及制造所使用的仪器而变化，并且由此 O感光板的特性不能完全预知。然而，在相同的制造条件和仪器的情况下，可 获得基本相同属性的O感光板，并且甚至可通过控制这些条件来调节所需要的 O感光板的光学特性。
尽管当O感光板86由倾斜沉积方法制造时其通常是双轴双折射介质，但 是，在一些情况下，制造条件的上述控制导致O感光板86成为所谓的单轴双 折射介质，例如，该单轴双折射介质的两个主轴折射率n2和n3具有相同的大 小(n2 = n3)。这种单轴双折射介质可认为是双轴双折射介质的特殊状态，并 应该看作是单轴双折射O感光板86。
应该注意，延迟补偿元件57、 58具有与延迟补偿元件56相同的配置，并 且液晶显示器件52、 53具有与液晶显示器件51相同的配置。
如图7所示，延迟补偿元件56的C感光板85和O感光板86以如下顺序 设置液晶显示器件51、 0感光板86、 C感光板85和偏振电子束分裂器48。
如上所述，当无电压施加到液晶显示器件51的像素上时，液晶分子75基 本垂直于液晶显示器件51的表面排列。然而，如图6所示，电压关闭状态中 的液晶分子75实际上从垂直方向以5度意向倾斜，以便不引发引起校准缺陷 的反转倾斜畴磁。
相互正交的X2和Y2轴固定在平行于液晶显示器件51表面的平面上，并 且Z2轴垂直于液晶显示器件51设置，也就是说，平行于穿过液晶层69的光 的光轴(传输光轴)L7。另外，X2轴定向于关于偏振电子束分裂器48的偏振 裂膜64的S偏振光的电场振动方向，并且Y2轴定向于P偏振光的电场振动方 向。这样，如图7所示，在液晶分子75的倾斜方向与X2轴之间存在一个45 度角Y(方位角)，并且在液晶分子75的倾斜方向与Y2轴之间还存在一个45
12度角。
这样，液晶分子75与X2-Y2平面形成倾斜角(3。根据每个像素施加的电压， 倾斜角P在0度与85度之间变化。当横跨液晶层69施加足够的电压量时，倾 斜角卩变成接近0度，并且液晶分子75平行于X2-Y2平面定向。相反，在电压 关闭状态，倾斜角P变成85度，并且液晶分子75基本垂直于X2-Y2平面定向。 电压关闭状态的倾斜角P称为预倾斜角，并且液晶分子75在校准膜79的校准 方向上从Z2轴和传输光轴L7以5度倾斜。
实际上，当施加电压时，校准膜73、 79附近的液晶分子75保持与电压关 闭状态时同样的状态，然而，液晶层69中央的大多数液晶分子75改变了取向。
另外，如果如上所述预倾斜液晶分子75，那么，即使在黑状态的像素中也 会引发取决于预倾斜的双折射，并且一部分光可穿过偏振裂膜64。结果，几乎 不重新产生全黑色，并且投影图像的对比度下降。
甚至当电压横跨液晶层69施加时，如电压关闭状态一样，临近校准膜73、 79的液晶分子75的预倾斜也引起光的双折射。这样， 一些偏振光成分可穿过 偏振裂膜64，并且投射图像呈现低对比度。
由此，设置0感光板86，以使快速轴L6与液晶分子75的倾斜方向L8相 互平行。也就是说，设置0感光板86,以使得倾斜沉积膜93的沉积方向在液 晶显示器件51上的垂直投影与液晶分子75的倾斜方向L8 —致。
在这样设置的O感光板86与偏振电子束分裂器48之间，设置具有平行于 Z2轴的光轴L5的C感光板85。
当这样设置延迟补偿元件56时，垂直穿过液晶层69的光将具有因取决于 液晶分子75的预倾斜的双折射的相位差。然而，当光穿过0感光板86时，补 偿该相位差。另外，穿过0感光板86的光的相位差通过C感光板85补偿。 这样，液晶层69上的垂直入射光的相位差通过O感光板86和C感光板85适 当补偿，且由此可防止黑状态期间光穿过偏振电子束分裂器48的偏振裂膜64。
另一方面，倾斜穿过液晶层69的光，或所谓的偏斜射线的相位差通过O 感光板86和C感光板85而补偿。C感光板85还补偿倾斜穿过O感光板86 的光的相位差。也就是，倾斜穿过液晶层69的光成为具有因取决于液晶分子 75预倾斜角p的双折射的相位差。然而，该相位差通过0感光板86和C感光 板85充分补偿。由此，可防止黑状态中光穿过偏振裂膜64。
这样，延迟补偿元件56补偿取决于液晶分子75预倾斜的相位差，以及倾 斜穿过液晶层69的光的相位差。
13然后，参考实例l，将解释延迟补偿元件56的运行。下文，由于相位差取 决于穿过液晶显示器件和延迟补偿元件的光的波长和其它特性，所以，也就是
说，相位差由延迟取代。延迟dAn，由方程dAn二d'(nx-ny)表示，其中，d表 示延迟补偿元件的物理厚度，nx表示元件表面上的最大主轴折射率，以及ny 表示元件表面上的最小主轴折射率。另外，液晶层和C感光板厚度方向的延迟 Rth由方程Rth二d(nz-(nx+ny)/2〉表示。 [实例1]
准备的液晶显示器件具有+200nm的延迟Rth (液晶层厚度方向上)以及 85度预倾斜角的液晶分子。然后，从具有+4nm延迟和20.5度的最大主轴折射 率nl的倾斜角(j)的0感光板，以及在-120nm厚度方向具有延迟Rth的C感光 板中准备延迟补偿元件。这些液晶显示器件和延迟补偿元件组合构成投影仪， 并且测量经由以偏振器和分析仪作用的偏振电子束分裂器的液晶显示器件的 干涉图像，以估算液晶显示器件和投影仪的对比度。干涉图像在液晶显示器件 法线中点周围-3(Ke《+30和0^)《360范围内被测得，其中，小表示中点周围的
旋转角，并且e表示中点相交的法线之间的尺寸角度。
实例1中的0感光板通过以45度沉积角a倾斜沉积Ta20s形成，并具有 1.800最大主轴折射率nl、 1.784主轴折射率n2、 1.742主轴折射率n3和20.5 度主轴折射率nl的倾斜角())。结果，折射率nx小于折射率ny (nX<ny)，并且 0感光板的快速轴L6与0感光板上的沉积方向的垂直投影一致。
如图8干涉图像所示，其中，仅使用C感光板作为延迟补偿元件，传输光 通量最低，并且最佳对比度点(下文称为最黑点)98不在液晶显示器件的法线 上(9 = 0)。这导致因取决于液晶分子预倾斜的双折射的不可控的穿过分析仪 的光的出现。
通过对比，如图9干涉图像所示，其中，使用C感光板和O感光板作为 延迟补偿元件，最黑点98在液晶显示器件法线上(6 = 0)。这意味着由取决 于液晶分子预倾斜的双折射引起的相位差己经通过O感光板补偿了。
然后，为了估算延迟补偿元件的效率，准备具有1100: 1对比率的投影仪， 并与延迟补偿元件组合。仅有C感光板时，投影仪的对比率升高到1600: 1。 当延迟补偿元件由C感光板和O感光板组成时，投影仪的对比率升高到2400: 1。这些结果表明当投影仪与本发明的延迟补偿元件组合时，其在相当广泛的 视角内充分提高了对比率。
如上所述，在使用延迟补偿元件的情况下，本发明的液晶显示器件和液晶
14投影仪可适当补偿取决于VAN-LCD的液晶分子预倾斜的相位差，并改善对比 度。另外，由C感光板和双折射O感光板组成的延迟补偿元件补偿倾斜穿过 VAN-LCD的光的相位差，并提高视角。
而且，在本发明中，使用通过倾斜沉积方法形成的双折射O感光板可方便 并廉价地制造延迟补偿元件，否则其需要像层叠许多延迟膜或在多个不同方向 拉伸聚合物薄膜的繁重工艺和昂贵的仪器。该延迟补偿元件还耐用和持久。
虽然上述优选实施例利用了 O感光板的双折射特性，并且引入VAN-LCD 的延迟补偿元件包括单个O感光板，但是延迟补偿元件可具有多个O感光板。
虽然上述实施例中的VAN-LCD是其液晶分子都定向在相同的校准方向的 单畴磁型，但是本发明的延迟补偿元件适用于其像素分成不同校准方向的畴磁 的多畴磁型VAN-LCD。
在上述实施例中，C感光板用不同折射率的层交替层叠。然而，C感光板 可以是三乙酰纤维素(TAC)的拉伸膜。除了 TAC膜，C感光板还可以是例 如由聚碳酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚砜薄膜(polysulfone film)、聚烯烃薄 膜和多芳基化合物薄膜制造而成。
虽然在上述实施例中延迟补偿元件设置在液晶显示器件与偏振电子束分 裂器之间，但是延迟补偿元件仅需要设置在液晶层与偏振裂膜之间。由此，延 迟补偿元件可与液晶显示器件或偏振电子束分裂器集成。
尽管在上述实施例中O感光板和C感光板以如下顺序设置液晶显示器 件、O感光板、C感光板和偏振电子束分裂器，但是，可反转O感光板和C感 光板的顺序。另外，O感光板和C感光板不需要彼此临近，但是，替代地，它 们可在液晶显示器件和偏振电子束分裂器上分别分离设置。
在上述实施例中，液晶投影仪具有R、 G和B色的三种液晶显示器件。然 而，投影仪可具有单个液晶显示器件，以快速变换R、 G和B图像，并且通过 在液晶显示器件上选择性投射R、 G和B色光来生成全色投影图像。
而且，上述实施例中，液晶显示器件用在轴上(on-axis)系统中，该系统 从垂直方向向液晶显示器件发送光，并将液晶显示器件反射的信息光向垂直方 向投射。然而，液晶显示器件可用在离轴系统中，该系统从例如倾斜方向向液 晶显示器件传送光，并将液晶显示器件反射的信息光向不同于入射方向的倾斜 方向投射。
虽然上述实施例没有阐述通常的功能附加层，例如抗反射层和抗闪耀层， 但是优选与相位补偿层一起使用这些通常的功能附加层。
1权利要求
1、一种反射型液晶显示器件，该反射型液晶显示器件具有液晶显示单元，其中，在该液晶显示单元中，液晶分子在无电压施加到液晶层时基本垂直于单元基板排列，该反射型液晶显示器件包括双轴双折射介质，该双轴双折射介质由倾斜沉积无机材料形成，并具有倾斜于所述VAN液晶单元表面的光轴和与所述无机材料在所述单元表面上的沉积方向的垂直投影一致的快速轴，所述双轴双折射介质补偿由所述液晶分子向所述单元基板倾斜引起的相位差。
2、 如权利要求l所述的反射型液晶显示器件，其中进一步包括 单轴双折射介质，该单轴双折射介质与所述双轴双折射介质组合，并具有垂直于所述单元表面的光轴，所述单轴双折射介质补偿倾斜穿过液晶层的光的 相位差和穿过所述双轴双折射介质的光的相位差。
3、 如权利要求2所述的反射型液晶显示器件，其中所述单轴双折射介 质是高和低折射率无机层的交替层叠。
4、 如权利要求1所述的反射型液晶显示器件，其中设置所述双轴双折 射介质是使所述双轴双折射介质的所述快速轴与所述液晶分子的倾斜方向一 致。
5、 如权利要求1所述的反射型液晶显示器件，其中设置所述双轴双折 射介质是使所述双轴双折射介质的所述快速轴向所述液晶分子的所述倾斜方 向的相反方向运转。
6、 一种反射型液晶投影仪，用于放大和投射显示在反射型液晶显示器件中的图像，该反射型液晶显示器件具有液晶显示单元，其中，在该液晶显示单 元中，液晶分子在无电压施加到液晶层时基本垂直于单元基板排列，所述反射型液晶显示器件包括双轴双折射介质，该双轴双折射介质由倾斜沉积无机材料形成，并具有倾斜于所述VAN液晶单元表面的光轴和与所述无机材料在所述单元表面上的沉 积方向的垂直投影一致的快速轴，所述双轴双折射介质补偿由所述液晶分子向 所述单元基板倾斜引起的相位差。
全文摘要
延迟补偿元件(56)由C感光板(85)和O感光板(86)组成。O感光板(86)是由倾斜沉积有机材料形成的双轴双折射介质。O感光板(86)的快速轴(L6)平行于O感光板(86)表面上的沉积方向(96)的垂直投影。在液晶显示器件(51)与偏振电子束分裂器(48)之间，设置O感光板(86)，以使得快速轴(L6)和液晶分子(75)的倾斜方向(L8)彼此平行，并且沉积方向(96)和倾斜方向(L8)相对Z2轴朝向相反方向。C感光板(86)与O感光板(85)一起设置在液晶显示器件(51)与偏振电子束分裂器(48)之间。
文档编号G02F1/1335GK101558354SQ20078004631
公开日2009年10月14日 申请日期2007年12月26日 优先权日2006年12月27日
发明者中川谦一, 桥爪太朗, 高桥裕树 申请人:富士胶片株式会社