CN101558337A - 延迟补偿元件、van液晶显示器件以及液晶投影仪 - Google Patents

Abstract

延迟补偿元件(56)由C感光板(86)和O感光板(85)组成。O感光板(85)是由倾斜沉积的有机材料组成的双轴双折射介质，并且具有平行于O感光板(85)表面上沉积方向(96)正投影的快速轴(L6)。在液晶显示器件(51)与分析仪(68)之间，配置O感光板(85)，以使快速轴(L6)与液晶分子(75)的倾斜方向(L8)彼此平行，并且沉积方向(96)和倾斜方向(L8)朝向相反方向。C感光板(86)设置在液晶显示器件(51)与分析仪(68)之间的O感光板(85)的上方。

Description

延迟补偿元件、VAN液晶显示器件以及液晶投影仪

技术领域

本发明涉及一种与液晶显示器件结合的延迟补偿元件，以用来补偿通过液晶显示器件的光的相位差，更具体地说，是涉及一种补偿通过VAN液晶显示器件的光的相位差的延迟补偿元件，该VAN液晶显示器件的液晶分子在无电压施加的时候垂直排列。

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和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10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。另外，C感光板和A感光板的组合仅在狭窄的视角方面发挥作用。如果视角扩展到实际范围，LCD上倾斜入射光的相位差的数量被增加。由此，C和A感光板的组合难于在扩展视角的同时改善VAN-LCD的对比度。

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VAN-LCD液晶分子预倾斜产生的相位差和VAN-LCD液晶层上倾斜入射光的相位差来提高VAN-LCD对比度和视角的延迟补偿元件。

本发明的另一目的是提供一种具有提供改善的对比度和改善的视角的延迟补偿元件的VAN液晶显示器件和液晶投影仪。

发明内容

为了实现上述和其它目的，本发明的延迟补偿元件包括双轴双折射介质，该双轴双折射介质通过倾斜沉积无机材料形成。该双轴双折射介质具有与VAN液晶单元表面倾斜的光轴和与该无机材料在该表面上的沉积方向的垂直投影一致的快速轴。该延迟补偿元件与具有液晶层的VAN液晶单元组合，其中，在该液晶层中，液晶分子在没有电压施加时基本垂直于单元基板排列，该双轴双折射介质补偿由该液晶分子向该单元基板倾斜引起的相位差。

优选设置该延迟补偿元件，以便该双轴双折射介质的快速轴相对该液晶分子的倾斜方向的相反方向运转。

还优选提供具有单轴双折射介质的延迟补偿元件，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该双轴双折射介质组合，并补偿倾斜穿过该液晶层的光的相位差和穿过该双轴双折射介质的光的相位差。

该单轴双折射介质是高折射率和低折射率无机层的交替层叠。

在本发明的另一优选实施例中，层叠两个该双轴双折射介质是使它们的快速轴形成近似90度角并且平分该90度角的中心线与该沉积方向的垂直投影一致。这两个双轴双折射介质补偿倾斜穿过和垂直穿过该液晶层的光的相位差。

本发明的VAN液晶显示器件包括具有上述双轴双折射介质的延迟补偿元件。该双轴双折射介质补偿由该液晶分子向该单元基板倾斜引起的相位差。

本发明的液晶投影仪包括上述VAN液晶显示器件，并且其将显示在该VAN液晶显示器件上的图像投影在屏幕上。该延迟补偿元件的双轴双折射介质补偿由该液晶分子向该单元基板倾斜引起的相位差。

优选地，在该液晶投影仪中，设置该延迟补偿元件，以便该双轴双折射介质的快速轴形成相对于该液晶分子的倾斜方向基本135度的角。

根据本发明，该延迟补偿元件的双轴双折射介质补偿取决于VAN-LCD中的该液晶分子预倾斜的相位差和该液晶层的入射光的相位差。由此，VAN-LCD中的对比度提高了，其视角扩展了。

附图说明

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；

图3A至图3C是液晶分子排列和延迟补偿元件运行的说明图；

图4是C感光板的截面图；

图5是O感光板的说明图；

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；

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；

图10是具有两个O感光板的延迟补偿元件的说明图；

图11是两个O感光板设置的说明图。

具体实施方式

[第一实施例]

参考图1，使用本发明的相位差补偿薄膜的投影仪10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)L1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。偏振单元38将来自校准透镜42的非偏振光转变成垂直于该图纸表面的偏振光成分线性光束(这里下文称为S偏振光成分)。然后，S偏振光成分的光束由反射镜43a引导到信息光生成部分32。

信息光生成部分32包括分色镜46、47、液晶显示器件51、52、53、延迟补偿元件56、57、58和分色棱镜61。

设置分色镜46是为了在表面法线与入射光光轴之间形成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43b。反射镜43b将穿过分色镜46的红色光反射到液晶显示器件51。

另外，分色镜46将S偏振白光中的绿色光和蓝色光反射到分色镜47。设置分色镜47是为了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液晶显示器件52。

而且，分色镜47将S偏振光中的蓝色光传输到反射镜43c。蓝色光反射出反射镜43c以及之后的反射镜43d，并进入液晶显示器件53。

液晶显示器件51是透射式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。由此，控制穿过像素的偏振光，并且显示图像。

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部分的亮度图像。当红色光穿过液晶显示器件51时，红色光变成红色信息光，该红色信息光携带投射图像红色光部分的信息。

液晶显示器件52也是由投影仪驱动器17驱动的透射式VAN-LCD，并且显示投射图像数据绿色部分的亮度图像。当绿色光穿过液晶显示器件52时，绿色光变成绿色信息光，该绿色信息光携带投射图像绿色光部分的信息。

液晶显示器件53也是由投影仪驱动器17驱动的透射式VAN-LCD，并显示投射图像数据蓝色部分的亮度图像。当蓝色光穿过液晶显示器件53时，蓝色光变成蓝色信息光，该蓝色信息光携带投射图像蓝色光部分的信息。

延迟补偿元件56补偿从液晶显示器件51向分色棱镜61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的光的相位改变为没有穿过分析仪的相位。而且，延迟补偿元件56补偿垂直穿过液晶显示器件51的光中通过由液晶分子预倾斜形成的双折射产生的相位差。

类似地，延迟补偿元件57补偿从液晶显示器件52向分色棱镜61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向分色棱镜61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，该投射光然后导入到投影透镜16并全色投射到屏幕24上。

如图3A所示，液晶显示器件51具有偏振器66、液晶层67和在光源侧设置的分析仪68，并且延迟补偿元件56设置在液晶层67与分析仪68之间。

偏振器66具有与S偏振光成分的偏振方向一致的传输轴L3，并当红色光从下面进入偏振器66时，仅传输传输轴L3方向的偏振光成分。也就是，进入液晶层67的光仅是其电场在传输轴L3方向上振荡的入射光69。

当由延迟补偿元件56补偿了相位差的光进入分析仪68时，如图3箭头所示，分析仪68仅在传输轴L4方向上传输偏振光成分。设置分析仪68以使传输轴L4垂直偏振器66的传输轴L3运转。也就是说，分析仪68和偏振器66以正交尼科尔棱晶设置。该设置使得液晶显示器件51起到所谓在电压关闭状态呈现黑色的常规黑色透射式液晶平板的作用。

液晶层67由透明基板71、72和这些透明基板71、72之间的棒状液晶分子75组成。

每个透明基板71、72由玻璃基板77、透明电极78和校准膜79组成。在透明基板71中，这些部件从光源侧以如下顺序设置：玻璃基板77、透明电极78和校准膜79。在透明基板72中，这些部件以相反顺序设置，也就是，从光源一侧为校准膜79、透明电极78和玻璃基板77。

例如，透明电极78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77上。透明电极78连接到透明基板71上的TFT电路(未示出)。该TFT电路通过调节透明基板71上的透明电极78与透明基板72上的普通电极——透明电极78之间的电压来控制液晶分子75的取向。

校准膜79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)。在一对校准膜79之间的液晶分子在校准膜79的校准方向上定向。设置这些校准膜79以使校准方向和偏振器66的传输轴L3在45度角相遇。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，其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。

液晶分子75是具有负介电各向异性的棒状分子，并在电压关闭状态下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67的光的相位没有作用。也就是说，在电压关闭状态，光将在不改变偏振方向的情况下穿过液晶层67。

例如，图3A中，其中液晶层67处于电压关闭状态，具有与入射光69基本相同偏振方向的信息光81从液晶层67进入延迟补偿元件56。由于信息光81在垂直于分析仪68的传输轴L4的方向上偏振，所以它不能穿过分析仪68。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基板71、72的透明电极78时，液晶分子75在校准膜79的校准方向上倾斜。在这种状态下，穿过液晶层67的光的偏振方向根据液晶分子75的倾斜角而变化。

例如，在图3B中，其中电压施加到横跨液晶层67时，多数液晶分子75在校准膜79的校准方向上倾斜。在这种状态下，穿过液晶层67的光由于倾斜的液晶分子75而改变偏振方向，并成为具有在平行和垂直于入射光69的两个方向上都偏振的光部分的信息光82。该信息光82是所谓的椭圆偏振光，其包括平行和垂直于分析仪68的传输轴L4的偏振光成分。在这些偏振光成分中，仅那些平行于传输轴L4的偏振光成分能穿过分析仪68。由此，当为每个像素调节电压时，进入分析仪68的光量被调节并且液晶显示器件51呈现灰色。

另外，在图3C中，其中横跨液晶层67施加充足的电压量，多数液晶分子75在校准膜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，穿过液晶层67的光因液晶分子75的双折射基本平行于表面而改变偏振方向，并成为偏振方向垂直于入射光69方向的信息光83。由于信息光83在平行于分析仪68的传输轴L4的方向上偏振，所以它能穿过分析仪68。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67与分析仪68之间，以便它可补偿从液晶层67出来的信息光的相位差。延迟补偿元件56由负的C感光板86和O感光板85组成。

如图4所示，C感光板86具有垂直延迟补偿元件56表面的光轴L5，其补偿倾斜入射光的相位差。C感光板86是在例如玻璃基板88的基体材料上由高折射率层91和低折射率层92交替堆叠的。

在该优选实施例中，高折射率层91由高折射率电介质材料TiO₂组成，并且低折射率层92由低折射率电介质材料SiO₂组成。为了阻止层间光的反射和干扰，C感光板86的每个折射率层最好要足够薄。然而，降低每层厚度将不能通过增加层数来确保C感光板86的固有功能，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λ。具体地，优选每个层的光学厚度不小于λ/100且不大于λ/5，并且更优选地，光学厚度不小于λ/50且不大于λ/10，且更优选地，光学厚度不小于λ/30且不大于λ/10。

高折射率层91可由ZrO₂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、低折射率层91、92可直接堆叠在液晶显示器件51或O感光板85上。

由于它对平行于光轴L5的光等方向性，即垂直入射光，因而C感光板86不能补偿这样垂直入射光的相位差。然而，C感光板86对倾斜入射光非等方向性，并引发双折射。该特性使C感光板86可以补偿倾斜入射光的相位差。而且，C感光板86补偿由O感光板85引起的光的相位差。

如图5所示，O感光板85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或这样的基体材料沉积例如Ta₂O₅的无机材料而形成。用这种制造方法，O感光板85具有以由在沉积的方向(沉积方向)96的沉积角α产生的特定角度φ倾斜的柱状结构凹槽。

因此，O感光板85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n1、n2和n3的半轴的折射率椭球102估算穿过O感光板85的光的双折射。例如，彼此正交的X1和Y1轴固定在平行于O感光板85的表面的平面上，并且Z1轴沿O感光板85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X1-Z1平面。在这种情况下，O感光板85的最大主轴折射率或者n1通常从沉积方向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n1与Z1轴之间的倾斜角φ小于沉积角α(α＞φ)。

当折射率椭球102沿平行于O感光板85并通过原点103的平面切开时，切面104具有在X1轴方向半径为nx并且在Y1轴方向半径为ny的椭圆形。由此，O感光板85对垂直入射光起到双折射介质作用，具有在X1轴方向折射率为nx和在Y1轴方向折射率为ny。由此，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X1轴方向上运转。这样，折射率nx与ny之间是量的关系，也就是说，每个主轴折射率n1、n2和n3对角度φ的关系，角度φ决定了O感光板85的快速轴L6是在X1轴方向还是在Y1轴方向运转。由此，虽然本说明书假设快速轴L6与O感光板85上的沉积方向96的垂直投影一致(即X1轴方向)，但是快速轴L6不必须在X1轴方向上运转，而可以在Y1轴方向上运转。

实际上，O感光板85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，甚至可通过控制这些条件调节所需要的O感光板的光学特性。

尽管当由倾斜沉积方法制造时O感光板85通常成为双轴双折射介质，但是，在一些上述制造条件控制的情况下，O感光板85可成为所谓的单轴双折射介质，例如，其两个主轴折射率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85。

当O感光板85在玻璃基板94上具有倾斜沉积膜93时，倾斜沉积膜93可直接形成在C感光板86或液晶显示器件51上。

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86和O感光板85位于关于液晶显示器件51的预定位置。更具体的，它们从光源一侧以液晶层67、O感光板85、C感光板86和分析仪68的顺序设置。

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7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领域。

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67的光的光轴(传输光轴)L7。另外，X2和Y2轴设置为分别平行于偏振器66和分析仪68的传输轴。由此，如图7所示，在液晶分子75的倾斜方向与X2轴之间存在45度角γ(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度的角。

这样，液晶分子75形成与X2-Y2平面的倾斜角β。根据每个像素施加的电压，倾斜角β在0度与85度之间变化。当横跨液晶层67施加足够的电压量时，倾斜角β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β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β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79附近的液晶分子75保持与电压关闭状态时同样的状态，而在液晶层67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由于预倾斜而产生的双折射，并且一部分光可通过分析仪68。结果，几乎不重新产生全黑色并且投影图像的对比度下降。

鉴于此，设置O感光板85，以使快速轴L6和液晶分子75的倾斜方向L8相互平行。当以这种方式设置O感光板85时，沉积方向96既可与液晶分子75相对于Z2轴预倾斜的方向相同(为方便起见，称为平行)，也可与预倾斜方向相反(为方便起见，称为反平行)。如图7所示，沉积方向96和预倾斜应当优选相对Z2轴的相反方向(反平行)。

由于O感光板85的这种配置，取决于液晶分子75预倾斜的相位差以由O感光板85引起的相位差完全相反的方向出现，并且光的相位差通过O感光板85而被有效地补偿。于是，可减小O感光板85的厚度，同时确保补偿取决于液晶分子75预倾斜的相位差的功能。严格的说，调整O感光板85的厚度，以使通过O感光板85的光的相位差的绝对值变成等于取决于液晶分子75预倾斜的相位差的绝对值。

为了补偿由预倾斜的液晶分子75引起的相位差，需要关键设置O感光板85，以使得快速轴L6如上所述反平行于X2-Y2平面上的倾斜方向L8。然而，实际上，出现在液晶投影仪中的相位差不仅因为预倾斜的液晶分子75，还可能因为多种因素的混合，例如取决于液晶单元的微结构、偏振器66和分析仪68的光衍射。由此，将O感光板85的快速轴L6定位为图7所示的方向不是最好必须的。

由此，通过观察投影图像的对比度和围绕Z2轴旋转O感光板85，调节快速轴L6相对于液晶分子倾斜方向L8的定位，但是如果液晶投影仪具有例如图2所示的标准光学系统，那么当图7中O感光板85顺时针或逆时针旋转45度(±5度)形成与倾斜方向L8呈135度角(±10度)时，获得最佳对比度。这种情况应该注意，O感光板85的优选旋转方向，是顺时针还是逆时针，取决于投影仪的配置和部件的特性。如刚刚提到的，O感光板85的旋转将同时调整由光学部件和液晶投影仪的液晶显示器件引起的不好的相位差。该事实在液晶投影仪的制造中提供了一种非常有效和实际的方法，甚至在没有C感光板86的情况下，仅通过旋转O感光板85可将对比度提高到实际可接受的水平。

通常，然后在这样设置的O感光板85与分析仪68之间引入C感光板86，以便C感光板86的光轴L5平行于Z2轴。

由于两个相位差的绝对值的符号彼此相反，一个相位差取决于液晶分子75的预倾斜，而另一个相位差当光穿过延迟补偿元件56时引起，所以O感光板85可通过取决于液晶分子75的预倾斜的双折射来补偿垂直穿过液晶层67的光中引起的相位差。另外，穿过O感光板85的光的相位差由C感光板86补偿。这样，液晶层67上垂直入射光的相位差通过O感光板85和C感光板86来充分补偿，并由此可阻止在黑状态中光穿过分析仪68。

另一方面，倾斜穿过液晶层67的光的相位差通过O感光板85和C感光板86来补偿。C感光板86还补偿倾斜穿过O感光板85的光的相位差。也就是说，倾斜穿过液晶层67的光具有因取决于液晶分子75预倾斜角β的双折射的相位差，然而，该相位差通过O感光板85和C感光板86充分补偿。由此可阻止黑状态中光穿过分析仪68。

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67的光的相位差。

然后，参考实例1来解释延迟补偿元件56的运行。下文，由于相位差取决于波长和穿过液晶显示器件和延迟补偿元件的光的其它特性，所以也就是说，相位差被延迟取代。延迟dΔn，由方程dΔn＝d·(nx-ny)表示，其中d表示延迟补偿元件的物理厚度，nx表示元件表面的最大主轴折射率，以及ny表示元件表面的最小主轴折射率。另外，液晶层和C感光板厚度方向的延迟Rth由方程Rth＝d·{nz-(nx+ny)/2}表示。

[实例1]

准备的液晶显示器件具有+400nm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+8nm延迟和20.5度的最大主轴折射率n1的倾斜角φ的O感光板，以及-400nm厚度方向延迟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，并且测量液晶显示器件干涉图像，以估算液晶显示器件和投影仪的对比度。在液晶显示器件法线中点周围-30≤θ≤+30和0≤φ≤360范围内测得干涉图像，其中，φ表示中点周围的旋转角，并且θ表示中点相交的法线之间的尺寸角度。

实例1中的O感光板由以45度沉积角α倾斜沉积Ta2O5形成，并具有1.800的最大主轴折射率n1、1.784的主轴折射率n2、1.742的主轴折射率n3和20.5度主轴折射率n1的倾斜角φ。结果，折射率nx小于折射率ny(nx＜ny)，并且O感光板的快速轴L6与O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(θ＝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(θ＝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已经通过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对比率的投影仪并将其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。这些结果表示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。

上述第一实施例利用了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，而该延迟补偿元件可像如下第二实施例所示的具有多个O感光板。

[第二实施例]

参考图10，延迟补偿元件110包括第一O感光板111、第二O感光板112和C感光板86。第一和第二O感光板111、112以相同方式制造并具有与第一实施例O感光板85相同的光学特性，并且相同的元件用与O感光板85一样的参考数字表示。而且，在该实施例中使用相同的液晶显示器件，并且与第一实施例相同的部件由相同参考数字表示。

延迟补偿元件110不同于相对于液晶层设置O感光板的延迟补偿元件56。具体地，如图10和图11所示，设置第一和第二O感光板111、112来在第一O感光板111的快速轴L9与第二O感光板112的快速轴L10之间形成基本90度角δ。另外，设置两个O感光板111、112，以使得平分角δ的中线113和液晶分子75的倾斜方向L8在同一直线上，但是彼此方向相反。在这种设置下，延迟补偿元件110还改善了液晶显示器件的对比度。下面参考实例2描述延迟补偿元件110的运行。

[实例2]

准备的液晶显示器件具有+400nm的延迟Rth(液晶层厚度方向上)和85度预倾斜角度的液晶分子。然后，从每个具有+30nm的延迟和20度最大主轴折射率n1的倾斜角φ的第一和第二O感光板，以及具有厚度方向-300nm的延迟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，并测量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。设置第一和第二O感光板来形成它们快速轴之间的86度角δ。干涉图像与实例1所示的特征相同。

首先，在没有延迟补偿元件的情况下，测量投影仪本身的对比率，并且结果是1100∶1。然后引入延迟补偿元件，投影仪的对比率巨大地增加到4500∶1。该结果表明将第一和第二O感光板设置成它们的快速轴彼此垂直起到了倾斜设置负C感光板的作用，或者换句话说，负O感光板。该结果还表明通过倾斜沉积方法的有机材料制造两个O感光板并将这些O感光板设置为它们的快速轴彼此垂直便可很容易地获得负O感光板。

O感光板的快速轴L9与L10之间的角δ可以在0到180度的范围内，而其可优选在大于60度并小于120度之间的范围内，并更优选在大于70度并小于110度之间的范围内，并且还更优选在大于80度并小于110度之间的范围内。

[实例3]

准备与实例2相同的液晶显示器件，并从具有+30nm延迟和20度最大主轴折射率n1的倾斜角φ的第一O感光板、具有+37nm延迟和20度最大主轴折射率n1的倾斜角φ的第二O感光板，以及具有厚度方向-400nm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，并测量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。第一和第二O感光板以实例2中相同的方式设置，并且干涉图像与实例1所示的特征相同。

首先，在没有延迟补偿元件的情况下，测量投影仪本身的对比率，结果为1100∶1。然后引入延迟补偿元件，则投影仪的对比率升高。尤其，当延迟补偿元件从液晶分子75的倾斜方向±5度范围内水平于液晶显示器件表面旋转时，对比率在1500∶1与4000∶1之间变化。这是因为当延迟补偿元件旋转时，进入分析仪的光的相位差通过第一与第二O感光板之间的额外延迟(7nm)而调节。

由此，可通过使用具有两个或更多个不同延迟的O感光板的延迟补偿元件以及调节它们对于液晶显示器件的角度来控制液晶显示器件的对比度。为了获得极高的对比度，第一和第二O感光板之间的延迟差优选为不小于0nm并不大于20nm，并更优选为不小于2nm并不大于15nm，并且还更优选为不小于3nm并不大于12nm。通过旋转延迟补偿元件的对比度调节适于平衡具有红、绿和蓝色分立的液晶显示器件的投影仪中的颜色之间的对比度。

当延迟补偿元件具有两个或更多个O感光板时，旋转一个或一些O感光板也是一种补偿由光学元件和液晶投影仪的液晶显示器件引起的相位差的有效方法。当在液晶投影仪制造工艺的最后阶段观察图像对比度的同时执行该旋转调节，其可避免分别分析每个不希望的相位差的原因并对它采取措施的艰难任务。

如上所述，本发明的延迟补偿元件可有效补偿取决于VAN-LCD液晶分子预倾斜的相位差，并提高对比度。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，否则其需要诸如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。

第二实施例是以具有两个O感光板的延迟补偿元件描述的，而延迟补偿元件中也可使用三个或更多个O感光板。这样，每个O感光板应该以第一和第二实施例中相同的方式设置。

虽然上述实施例描述的是具有透射式VAN-LCD的投影仪，但是本发明的延迟补偿元件可用于反射式VAN-LCD。

而且，本发明的延迟补偿元件不仅可用于液晶投影仪，还可用于可直接观看液晶器件的直视型液晶平板。

虽然上述实施例中的VAN-LCD是其液晶分子都在相同校准方向定位的单畴磁型，但是本发明的延迟补偿元件可用于其像素分成不同校准方向畴磁的多畴磁型VAN-LCD。

在上述实施例中，C感光板与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晶体层与分析仪之间，但是其还可设置在液晶层与偏振器之间。其在预知液晶层的相位差和先前向入射光施加反平衡相位差的情况下优选。

虽然O感光板85和C感光板在实施例中集成在一起，但是它们可彼此分开设置在液晶显示器件51的两侧。

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光来生成全色投影图像。

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。

Claims (11)

1、一种延迟补偿元件，该延迟补偿元件与VAN液晶单元组合，其中，在VAN液晶单元中，液晶分子在没有电压施加时基本垂直于单元基板排列，该延迟补偿元件用于补偿穿过所述VAN液晶单元的液晶层的光的相位差，所述延迟补偿元件包括：

双轴双折射介质，该双轴双折射介质通过倾斜沉积无机材料形成，并具有与所述VAN液晶单元表面倾斜的光轴和与所述无机材料在所述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1所述的延迟补偿元件，其中：设置所述延迟补偿元件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倾斜方向的相反方向运转。

3、如权利要求1所述的延迟补偿元件，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VAN液晶单元的所述表面的光轴，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。

4、如权利要求3所述的延迟补偿元件，其中：所述单轴双折射介质是高折射率和低折射率无机层的交替层叠。

5、如权利要求1所述的延迟补偿元件，其中：层叠两个所述双轴双折射介质是使所述快速轴形成近似90度角并且平分所述90度角的中线与所述沉积方向的垂直投影一致，所述两个双轴双折射介质补偿倾斜穿过和垂直穿过所述液晶层的光的相位差。

6、一种VAN液晶显示器件，该VAN液晶显示器件具有VAN液晶单元，其中，在VAN液晶单元中，液晶分子在无电压施加时基本垂直于单元基板排列，所述VAN液晶显示器件包括：

延迟补偿元件，该延迟补偿元件具有双轴双折射介质，该双轴双折射介质由倾斜沉积无机材料形成，并具有与所述VAN液晶单元表面倾斜的光轴和与所述无机材料在所述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。

7、一种液晶投影仪，用于放大和投影显示在VAN液晶显示器件中的图像，该VAN液晶显示器件具有VAN液晶单元，其中，在VAN液晶单元中，在没有电压施加时液晶分子基本垂直于单元基板排列，所述液晶投影仪包括：

延迟补偿元件，该延迟补偿元件具有双轴双折射介质，该双轴双折射介质由倾斜沉积无机材料形成，并具有与所述VAN液晶单元表面倾斜的光轴和与所述无机材料在所述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。

8、如权利要求7所述的液晶投影仪，其中：设置所述延迟补偿元件是使所述双轴双折射介质的所述快速轴形成与所述液晶分子倾斜方向呈基本135度的角。

9、如权利要求7所述的液晶投影仪，其中：所述延迟补偿元件进一步包括：

单轴双折射介质，该单轴双折射介质具有垂直于所述VAN液晶单元的所述表面的光轴，所述单轴双折射介质补偿倾斜穿过所述VAN液晶单元的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。

10、如权利要求7所述的液晶投影仪，其中：层叠两个所述双轴双折射介质是使所述快速轴形成近似90度角，并且平分所述90度角的中线与所述沉积方向的所述垂直投影一致，所述两个双轴双折射介质补偿倾斜和垂直穿过所述VAN液晶单元的液晶层的光的相位差。

11、如权利要求10所述的液晶投影仪，其中：所述延迟补偿元件进一步包括：

单轴双折射介质，该单轴双折射介质具有垂直于所述VAN液晶单元的所述表面的光轴，所述单轴双折射介质补偿倾斜穿过所述VAN液晶单元的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。

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