CN101477276B - 偏振片以及使用它的液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

目的是在横电场方式的液晶显示装置中减少黑显示中斜向的亮度上升和带色。本发明的液晶显示装置包括：配置在第一衬底一侧的第一偏振片；配置在第二衬底另一侧的第二偏振片；在第一衬底和第二衬底之间、液晶分子与第一衬底或第二衬底平行、在平行于第一衬底的方向外加电场的液晶层，以及照明装置；第一偏振片和第二偏振片具有偏振层、分别配置在所述偏振层两侧的支撑基体材料；还具有配置在所述照明装置一侧的第一偏振片和所述第二偏振片间、并且配置在液晶层和第一偏振片间、用于补偿透射偏振光的偏振状态的多个光学相位补偿薄膜；第一偏振片的吸收轴和不外加电压时液晶分子的取向大致垂直；液晶层和第二偏振片的偏振层的折射率大致各向同性。

Description

偏振片以及使用它的液晶显示装置
本申请是申请号为200410104842.8、申请日为2004年12月29日、发明名称为“偏振片以及使用它的液晶显示装置”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及液晶显示器，特别是涉及通过对取向在水平方向的液晶分子外加横向的电场来控制光的透过和遮断的平面内开关模式(IPS)的液晶显示装置。
背景技术
作为外加在液晶上的电场的方向为平行于衬底的方向的方式(以下称为横电场方式或IPS模式)，在专利文献1、专利文献2、专利文献3中提出了使用设置在一个衬底上的梳齿电极的方式。已知，通过该方式液晶分子主要在平行于衬底的面内旋转，所以从斜方向观察时，外加电场时和不外加电场时的双折射率的程度不同小，视场角宽。
可是，IPS模式中，液晶自身的双折射率的变化小，但是已知由于偏振片的特性，从自偏振片的吸收轴偏移的方位的斜方向观察时，光产生泄漏。为了消除这样的偏振片斜方向上的光泄漏而使用相差板的方式在专利文献4中作了描述。该文献公开了基本上关于VA模式、考虑液晶的影响，改善只有偏振片的视场角。
此外，在专利文献5中公开了根据观察方向解决产生白的颜色变化的方法。
还有，在专利文献6中公开了为了改善黑色显示的视场角特性而在偏振片的一方内侧配置相位差板的结构。
[专利文献1]特公昭63-21907号公报
[专利文献2]特开平9-80424号公报
[专利文献3]2001-056476号公报
[专利文献4]2001-350022号公报
[专利文献5]专利第3204182号公报
[专利文献6]专利第2982869号公报
[非专利文献1]应用物理学会学恳话会编“结晶光学”森北出版株式会社出版，1984年第一版第四册发行，第五章p102～p163
[非专利文献2]J.Opt.Soc.Am.的论文题目“Optical in Stratifiedand Anisotropic Media：4×4-Matrix Formulation”D.W.BERREMAN著，1972年，volume62，No4，P502～p510
要解决的问题是在通过对取向在水平方向的液晶分子外加横向的电场来控制光的透射和遮断的平面内开关模式(IPS)的液晶显示装置中，在斜方向产生亮度上升和带色。
IPS模式使用在水平方向均匀取向的液晶分子，和吸收轴相对于画面正面指向上下和左右方向、正交配置的两个偏振片，当从上下左右方向斜着观察画面时，两个偏振片的吸收轴存在正交观察的位置关系，均匀取向的液晶分子和一个的偏振片的吸收轴平行，所以能充分减小黑亮度。而如果从方位角45°的方向斜着观察画面，两个偏振片的吸收轴所成的角度从90°偏移，所以透射光产生双折射，产生光泄漏，所以无法充分减小黑亮度。再者，斜方向的光泄漏量根据波长而不同，产生带色。
在上述的引用文献中，只用亮度特性讨论视场角特性，关于颜色变化的问题完全没有考虑。
发明内容
因此，本发明的目的在于：即使对于IPS模式中的黑显示也要在全方位的任意角度取得良好的显示，同时减少从斜方向观察时的亮度上升和带色。
本发明的液晶显示装置包括：配置在第一衬底一侧的第一偏振片；配置在第二衬底的另一侧的第二偏振片；配置在第一衬底和第二衬底之间、能进行黑显示的液晶层，其中的液晶分子与第一衬底或第二衬底平行且取向在一个方向上；以及照明装置；第一偏振片和第二偏振片具有偏振层、分别配置在偏振层的两侧的支撑基体材料；还具有配置在所述照明装置一侧的第一偏振片和第二偏振片之间、并且配置在液晶层和第一偏振片之间的、用于补偿透射偏振光的偏振状态的多个光学相位补偿薄膜；第一偏振片的吸收轴和黑显示时液晶分子的取向方向大致垂直；液晶层和第二偏振片的偏振层具有大致各向同性的折射率。
此外，本发明的液晶显示装置具有：在照明装置一侧配置的第一偏振片和液晶层之间、以及第二偏振片和液晶层之间，配置有补偿透射偏振光的偏振状态的光学相位补偿薄膜；第一偏振片的吸收轴和黑显示时液晶分子的取向方向大致垂直；配置在第二偏振片的偏振层和液晶层之间的所有构件的折射率大致各向同性。
此外，本发明的液晶显示装置具有：在照明装置一侧配置的第一偏振片和第二偏振片之间、并且液晶层和第二偏振片之间，配置有用于补偿透射偏振光的偏振状态的多个光学相位补偿薄膜；第一偏振片的吸收轴和黑显示时液晶分子的取向方向大致平行；液晶层和第一偏振片的偏振层间大致具有各向同性的折射率。
此外，本发明的液晶显示装置具有：在照明装置一侧配置的第一偏振片和液晶层之间、以及第二偏振片和液晶层之间，配置有用于补偿透射偏振光的偏振状态的多个光学相位补偿薄膜；第一偏振片的吸收轴和黑显示时液晶分子的取向方向大致平行；配置在第一偏振片的偏振层和液晶层之间的构件作为一个整体，其折射率大致表现为各向同性；配置在第二偏振片和液晶层之间的多个光学相位补偿薄膜中，配置在第二偏振片一侧的光学相位补偿薄膜和该光学相位补偿薄膜与第二偏振片的偏振层之间的支撑基体材料作为整体，其折射率具有双折射性。
此外，本发明的液晶显示装置具有：在照明装置一侧配置的第一偏振片和第二偏振片之间，配置有用于补偿透射偏振光的偏振状态的多个光学相位补偿薄膜；多个光学相位补偿薄膜中至少一个在把对于入射光波长的延迟用平面内延迟和厚度方向的延迟中大的一方比较时，设对于红色的延迟为RR，对于绿色的延迟为RG，对于蓝色的延迟为RB，则RR＞RG＞RB。
此外，第一偏振片和第二偏振片具有偏振层和分别配置在偏振层两侧的支撑基体材料，配置在偏振层一方的支撑基体材料在平面内具有折射率各向异性，平面内的滞相轴方向的折射率n1、平面内的进相轴方向的折射率n2、厚度方向的折射率n3满足
Figure G2009100057259D00041
在平面内具有折射率各向异性的所述支撑基体材料的滞相轴和偏振层的吸收轴大致平行；在第一偏振片的吸收轴和黑显示时液晶分子的取向方向大致平行时，配置在第一偏振片的液晶层一侧的支撑基体材料在平面内具有折射率各向异性，对于平面内的滞相轴方向的折射率n1、平面内的进相轴方向的折射率n2、厚度方向的折射率n3，满足在平面内具有折射率各向异性的所述支撑基体材料的滞相轴和偏振层的吸收轴大致平行；在第一偏振片的吸收轴和黑显示时液晶分子的取向方向大致垂直时，配置在第二偏振片的液晶层一侧的支撑基体材料在平面内具有各向异性的折射率，对于平面内的滞相轴方向的折射率n1、平面内的进相轴方向的折射率n2、厚度方向的折射率n3，满足
Figure G2009100057259D00043
在平面内具有各向异性的折射率的支撑基体材料的滞相轴和所述偏振层的吸收轴大致平行。
此外，本发明提供了一种在偏振层的两侧具有支撑基体材料的偏振片，其结构为：至少一方的支撑基体材料在平面内具有各向异性的折射率；对于平面内的滞相轴方向的折射率n1、平面内的进相轴方向的折射率n2、厚度方向的折射率n3，满足
Figure G2009100057259D00044
在平面内具有各向异性的折射率的支撑基体材料的滞相轴和偏振层的吸收轴大致平行。
此外，本发明还提供了一种在偏振层的两侧具有支撑基体材料的偏振片，其结构为：至少一方支撑基体材料由三乙酰纤维素(TAC)形成，在由三乙酰纤维素形成的支撑基体材料上层叠用于补偿透射偏振光的偏振状态的光学相位补偿薄膜；该光学相位补偿薄膜的平面内的滞相轴方向的折射率n1、平面内的进相轴方向的折射率n2、厚度方向的折射率n3满足
Figure G2009100057259D00051
该光学相位补偿薄膜的滞相轴与偏振层的吸收轴大致垂直。
在实施例中详细说明其他措施。
本发明的效果是能减少斜视场中液晶层的影响，能实现斜方向的黑亮度和带色的降低。
附图说明
下面简要说明附图。
图1是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图2是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图3是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图4是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图5是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图6是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图7是用于说明本发明的液晶显示装置的定义图。
图8是用于说明本发明的液晶显示装置的一般的普安卡雷球显示。
图9是用于说明本发明的液晶显示装置的概念图。
图10是用于说明本发明的液晶显示装置的普安卡雷球显示。
图11是用于说明本发明的液晶显示装置的普安卡雷球显示。
图12是用于说明本发明的液晶显示装置的普安卡雷球显示。
图13是用于说明本发明的液晶显示装置的普安卡雷球显示。
图14是用于说明本发明的液晶显示装置的普安卡雷球显示。
图15是用于说明本发明的液晶显示装置的普安卡雷球显示。
图16是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图17是表示说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图18是用于说明本发明使用的光学模拟手法的概念图。
图19是用于说明本发明使用的光学模拟手法的概念图。
图20是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图21是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图22是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图23是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图24是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图25是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图26是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图27是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图28是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图29是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图30是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图31是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图32是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图33是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图34是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图35是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图36是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图37是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图38是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图39是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图40是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图41是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图42是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图43是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图44是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图45是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图46是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图47是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图48是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图49是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图50是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图51是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图52是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图53是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图54是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图55是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图56是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图57是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图58是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图59是表示由降冰片烯(norbornene)类材料形成的光学相位补偿薄膜的延迟量和波长的关系例子的特性图。
图60是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图61是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图62是用于说明本发明的液晶显示装置的一个实施例的普安卡雷球显示。
图63是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例中使用的光学相位补偿薄膜的延迟量和波长的关系代表性例子的特性图。
图64是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图65是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图66是本发明的液晶显示装置的一个实施例的特性图。
图67是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
图68是表示本发明的液晶显示装置的一个实施例的结构图。
附图符号的说明
10-液晶显示元件；10D-显示面；11-出射一侧偏振片；11A、11B、12A、12B-支撑衬底；11C、12C-偏振层；11CA、12CA-吸收轴；11CT、12CT-偏振透射轴；12-入射一侧偏振片；13-多个光学相位补偿薄膜；13A1-正a-plate；13A1S、13A2S-滞相轴；13A2-负a-plate；13C1-正c-plate；13C2-负c-plate；15-液晶层；15S-液晶取向轴(液晶滞相轴)；50-照明装置；51-灯；52-反射板；53-扩散板；60-入射光；70H-显示面水平方向；70V-显示面垂直方向；80A-向视觉识别方向的显示面的投影方向；80N-显示面法线方向；80V-视觉识别方向；81-方位角；82-视场角。
具体实施方式
下面，具体说明本发明的内容。
在液晶电视兴起中，不是自发光的液晶显示器在白显示时，来自照明装置的光如何透射，在黑显示时如何遮断光是重要的。本发明涉及在从斜方向观察黑显示时，如何在降低亮度的同时消除带色的课题。
首先，在说明黑显示时从斜方向观察时，为什么亮度上升和产生带色之前，使用图7表示定义。来自照明装置的入射光60由液晶元件进行调制，光从显示面10D射出时，设显示面10D的显示面法线方向为80N、显示面水平方向为70H、显示面垂直方向为70V，若视觉识别方向为80V，视场角82为θ，视觉识别方向80V在显示面10D上的投影方向为80A，则其与显示面水平方向70H所成角度为方位角81，以Φ表示。
接着，在正交的一对偏振片中，设视场角θ、方位角Φ为θ≠0°，Φ≠0°，为180°、±90°，来考虑光泄漏的理由。如图9的左图所示当两个偏振片的吸收轴11CA和12CA(或透射轴11CT、12CT)正交时，从偏振片的法线方向入射的光在入射一侧的偏振片处变为直线偏振光，被出射一侧的偏振片吸收，能进行黑显示。而如图9的右图所示，从斜方向观察时(θ≠0°、Φ≠0°，180°、±90°)具有与相反一侧的偏振片的透射轴平行的成分，光不能由相反一侧的偏振片完全遮断，产生光泄漏。还有，当在正交的偏振片间配置平行取向的液晶层时，如果液晶层的取向轴平行于入射侧偏振片的吸收轴，就不受液晶层的影响，但是如果液晶层的取向轴偏移，或2个偏振片从正交偏移，则通过我们的研究，得出了受到液晶层的影响的判断。
为了了解这些偏振状态，使用普安卡雷球显示的话将非常容易理解。关于普安卡雷球显示，在非专利文献1中作了公开。如果在垂直于光的前进方向的面中取x轴、y轴，电场振幅分别为Ex、Ey，Ex、Ey的相对相位差为δ(＝δy-δx)，则斯托克斯参数S0、S1、S2、S3由(数学式1)表示：
S0＝<|Ex|2>+<|Ey|2>
S1＝<|Ex|2>-<|Ey|2>
S2＝<2ExEycosδ>
S3＝<2ExEysinδ>
在完全偏振光的情况下，S02＝S12+S22+S32。此外，如果在普安卡雷球上显示它，则为图8所示。即在空间正交坐标系的各轴上取S1、S2、S3轴，表示偏振状态的S点位于强度S0为半径的球面上。如果取某偏振状态S的点，使用纬度La和经度Lo进行表示，则完全偏振时，S02＝S12+S22+S32，所以考虑半径1的球，有(数学式2)：
S1＝cosLacosLo
S2＝cosLasinLo
S3＝cosLa
这里，在普安卡雷球上，上半球配置右旋偏振光，下半球配置左旋偏振光，在赤道上配置直线偏振光，上下两极分别配置右圆偏振光、左圆偏振光。
如果在普安卡雷球上考虑图9的状态，则变为图10所示。这里，图10是以方位角Φ＝45°，θ＝60°观察的情况，右图表示对S1-S2面的投影，左图表示对S1-S3面的投影。光的入射一侧的偏振片透射轴12CT的偏振状态由200T表示，吸收轴12CA上具有偏振成分的直线偏振光由200A表示，出射一侧的偏振片透射轴11CT由201T表示，在吸收轴11CA上具有偏振成分的直线偏振光由201A表示。即200T和201A的距离311变为光泄漏。因此，从200T的偏振状态向201A的偏振状态进行变换300，能消除光泄漏。
图10考虑的是只有偏振层的理想状态，通常的偏振片在偏振层的两侧配置有支撑基体材料，该支撑基体材料由常规的三乙酰纤维素(TAC)形成，几乎没有平面内的相位差，但是在厚度方向具有延迟量R·h。这里，支撑基体材料的平面内的滞相轴与x轴方向平行，x、y轴方向各自的折射率为nx、ny，厚度方向的折射率为nz，厚度为h，则表示为：
(数学式3)
R·h＝((nx+ny)/2-nz)·h
由于该延迟R·h，在垂直入射时，偏振状态不受影响，但是斜着入射时，受到支撑基体材料的影响，偏振状态发生变化。这里，用图3所示的光学的层结构考虑偏振状态的变化。在液晶层15的两侧配置偏振片11、12，在入射一侧的偏振片12的内侧配置支撑基体材料12B，出射一侧的偏振片11把支撑基体材料11B配置在内侧。这里，液晶的取向轴15S配置为平行于入射一侧偏振片12的吸收轴12CA，垂直于透射轴12CT，与出射一侧偏振片11的吸收轴11CA垂直，与透射轴11CT平行，把它称作o-mode；如图5所示的上下偏振片的轴旋转90°的情况下，即把液晶的取向轴15S配置为垂直于入射一侧偏振片12的吸收轴12CA、平行于透射轴12CT、平行于出射一侧偏振片11的吸收轴11CA、垂直于透射轴11CT的情况称作e-mode。此外，一般在偏振层11C、12C的外侧，都如图1、图2所示，配置有支撑基体材料11A、12A，但是考虑到偏振状态，没有必要，所以省略。关于图3的结构，使用图11的左图，用普安卡雷球考虑偏振状态的变化。这里，液晶层15的折射率各向异性为δnLC，间隔为dLC，把积ΔnLC·dLC称作延迟量。此外，以下在没有事先声明时，把各物理特性值考虑为波长550nm光的值。如果与图10同样，考虑从方位角Φ＝45°、θ＝60°观察时的光，则透过偏振层12C的透射轴12CT的光的偏振状态成为200T，由于支撑基体材料12B的延迟量R1·h1，从-1一侧观察S1轴，按顺时针旋转延迟量R1·h1，就变换为偏振状态202的左旋的椭圆偏振光。通过液晶层15，以200T的点为中心，顺时针旋转液晶层的延迟量ΔnLC·dLC301，变换为偏振状态203的右旋的椭圆偏振光。通过出射一侧偏振片11的支撑基体材料11B的延迟量R2·h2，从-1一侧观察S1轴，顺时针旋转延迟量R2·h2，变换为偏振状态204的右旋的椭圆偏振光。这里，与出射一侧偏振层11C的吸收轴11CA一致的偏振状态为201A，只有偏振状态204和201A的距离310部分的光被泄漏。
在图11的左图中，考虑的是550nm的光，在图11的右图中，关于图4的结构，可见光区域是380nm～780nm，所以考虑大致等价的400nm～700nm的光。与图10同样，如果考虑从方位角Φ＝45°、θ＝60°观察时的光，则透过偏振层12C的透射轴12CT的光的偏振状态变为200T，由于支撑基体材料12B的延迟量Rh1，从-1一侧观察S1轴，按顺时针旋转延迟量R1·h1，变换为偏振状态212的左旋的椭圆偏振光。这里，由于延迟量随波长而不同，所以偏振状态212的直线长度表示由于光的波长不同，变换为不同的偏振状态。通过液晶层15，以200T的点为中心，顺时针旋转液晶层的延迟量ΔnLC·dLC，变换为有随波长而扩展的偏振状态213的椭圆偏振光。从图可知，在短波长时为左旋的椭圆偏振光，在长波长时，变为右旋的椭圆偏振光。由于出射一侧偏振片11的支撑基体材料11B的延迟量R2·h2，从-1一侧观察S1轴，顺时针旋转延迟量R2·h2，变换为偏振状态214的椭圆偏振光。这里，与出射一侧的偏振片11C的吸收轴11CA一致的偏振状态为201A，只有偏振状态214和201A的距离部分的光被泄漏，光的泄漏量根据波长的不同而不同。从而能理解从斜方向观察时产生带色的事情。
此外，根据该考虑方法，对带色起的作用最大的是基于液晶层的偏振状态变化。也就是说，提出的课题是要求在黑显示时减少斜视场的液晶层的影响，同时通过光学相位补偿薄膜减少斜方向的光泄漏。本发明就解决了该课题。
图1表示本发明的液晶显示装置的结构。具有光入射一侧的第一偏振片12的第一衬底16和另一方的具有第二偏振片11的第二衬底14各自的吸收轴配置为大致垂直(小的一方所成角度为88～90°)，液晶层15的液晶分子平行于所述衬底14、16，并且取向在一个方向，能进行黑显示的液晶层15夹在两个衬底14、16之间。此外偏振片11和12的液晶层一侧的支撑基体材料11B、12B的折射率各向同性。在接近第一衬底16或第二衬底14的任意一个衬底的液晶层15的一侧，与各象素相对，设置具有一对电极的矩阵驱动的电极群，在背面设置照明装置50。此外，图1左边是液晶层15的取向轴平行于入射一侧偏振片12的吸收轴、垂直于透射轴的o-mode。这时，如图1左侧所示，在液晶层15和第二偏振片11之间夹着多个光学相位补偿薄膜。图1右边是液晶层15的取向轴垂直于入射一侧偏振片12的吸收轴、平行于透射轴的e-mode。这时，如图1右侧所示，在第一偏振片12和液晶层15间夹着多个光学相位补偿薄膜。
图1左侧包含偏振片支撑基体材料11A、12A，但是在考虑偏振状态时，能忽略它们。如果省略它们来考虑表示偏振片11和12、液晶层15的轴向的光学结构图，则变为图4所示。由于偏振片支撑基体材料11B、12B是折射率各向同性的媒质，所以这样考虑。在图4的光学结构中，考虑通过光学相位补偿薄膜13减少来自斜方向的光泄漏的方法。
图12、图13使用普安卡雷球表示偏振状态变化。对于第一偏振片斜着入射的光的偏振状态如上所述，表示为200T。在图4的结构中，由于偏振片支撑基体材料12B的折射率各向同性，所以入射光保持偏振状态200T，入射到液晶层15。这里，封入液晶层15中的液晶分子在平面内的滞相轴平行于X轴方向，设x、y轴方向的折射率分别为nx、ny，厚度方向的折射率为nz，平面内延迟量为Δn·dr，则(数学式4)
Δn·dr＝(nx-ny)·dr
成立。把只在平面内具有折射率各向异性，厚度方向的折射率与面内折射率小的大致相等的媒体称为正a-plate，以后的正a-plate的延迟指的是平面内的延迟。直线偏振光入射到正a-plate时的偏振状态变化在普安卡雷球上，用以折射率大的主轴(现在为y方向)，即用以延迟轴为轴的旋转变换表示。在现在考虑的图4的光学结构中，由于第一偏振片12的吸收轴和液晶层的延迟轴15S一致，故能够像图12那样考虑普安卡雷球上的旋转变换。即，对于透射过第一偏振片12后的偏振状态200T，以液晶层15的滞相轴401为轴，进行旋转变换301。因此，如果第一偏振片吸收轴12CA与液晶层15的滞相轴15S的方向高度一致，则在光透射过液晶层15的前后，偏振状态不发生变化。
下面，考虑透射过多个光学相位补偿薄膜13前后的偏振状态变化。如图13所示，能理解把透射过液晶层15后的偏振状态200T变换为第二偏振片吸收轴方向11CA的直线偏振状态201A也行。
即，偏振片支撑基体材料的折射率各向同性，且在o-modes的情况下，如图4那样，在第一偏振片12和液晶层15间不配置折射率各向异性的层，通过在第二偏振片11和液晶层15间配置多个光学相位补偿薄膜13，能够排除液晶层对斜入射光的影响、减少光泄漏。因为液晶层的影响小，所以如上所述，对于斜入射光，能减少带色和光泄漏两者。
下面，考虑图1右侧的e-mode情况。图6中表示省略偏振片支撑基体材料11A和12A、明确表示液晶层15和偏振片11、12的轴向的光学结构。图14、图15通过普安卡雷球表示这时的偏振状态变化。图14表示透射过多个光学相位补偿薄膜13前后的偏振状态变化。在e-mode的情况下，在光入射到液晶层15之前，从透射过第一偏振片12后的偏振状态200T变换为第二偏振片的吸收轴11CA的直线偏振状态201A。据此，能使液晶层的滞相轴15S的方向与入射到液晶层15的光的偏振方向一致。这时如上所述，透射过液晶层15前后的偏振状态变化如图15所示。即成为排除液晶层15的影响的状况。
即，在偏振片支撑基体材料的折射率各向同性、且为e-mode的情况下，如图4所示，在第二偏振片11和液晶层15间不配置折射率各向异性的层，通过在第二偏振片12和液晶层15间配置多个光学相位补偿薄膜13，能够排除液晶层对于斜入射光的影响，减少光泄漏。
为了在光斜着入射液晶层时排除液晶层的影响，在o-mode的情况下，在第一偏振片和液晶层间不配置双折射性媒体即可；在e-mode的情况下，在第二偏振片和液晶层间不配置双折射媒体，并且在光入射到液晶层之前进行适当的偏振状态变换即可。
还有，根据图13和图14，基于多个光学相位补偿薄膜13的偏振状态变化可以只使方向相反。因此，对于o-mode、e-mode的各种情况，如图1所示，采取适当的结构，如果适当设定多个光学相位补偿薄膜13各自的轴，则如果多个光学相位补偿薄膜的规格(光学相位补偿薄膜的种类、结构、延迟)相同，在o-mode、e-mode的情况下，黑显示时的视场角特性大致相等。
如果按照该考虑方法，则偏振片支撑基体材料并不一定要求折射率各向同性，如图2左侧所示，在o-mode的情况下，第二偏振片11的液晶层15一侧的支撑基体材料11D可以是双折射性媒体。这时，通过多个光学相位补偿薄膜13和双折射性的偏振片支撑基体材料11D的组合，如果能够进行图13的偏振状态变换，就有黑显示特性与图1的结构同等、能够通过减少光学相位补偿薄膜数量而降低构件成本的可能性。在e-mode的情况下也同样，如图2右侧所示，第一偏振片12的液晶层15一侧的支撑基体材料12D也可以是双折射媒体。这时，通过多个光学相位补偿薄膜13和双折射性的偏振片支撑基体材料12D的组合，如果能够进行图14的偏振状态变换，就有黑显示特性与图1的结构同等、有可能通过减少光学相位补偿薄膜数量、降低构件成本的可能性。须指出的是，在图2左侧的o-mode的情况下，第一偏振片12和第二偏振片11各自的外侧支撑基体材料12A和11A无论是各向同性媒体，还是双折射性媒体，对于黑显示时的视场角特性均不带来任何影响。因此，当采取图2左侧的结构时，如果支撑基体材料11A为双折射性媒体时存在提高生产性的优点，则可以用双折射性媒体。图2右侧的e-mode的情况下也同样。
别的考虑方法，也考虑到通过光学相位补偿薄膜抵消由支撑基体材料引起的偏振状态变化的方法。如后所述，在o-mode的情况下，如果第一偏振片支撑基体材料与负c-plate等价，则通过在第一偏振片和液晶层之间配置负c-plate，能抵消该效果。在e-mode的情况下，在第二偏振片和液晶层之间配置抵消第二偏振片支撑基体材料的影响的光学相位补偿薄膜即可。这与不配置双折射性媒体的情况大致等价。如果推广开来考虑，则在o-mode的情况下，在第一偏振片和液晶层间不产生由双折射性引起的偏振状态变化，在e-mode的情况下，在第二偏振片和液晶层间不产生双折射性引起的偏振状态变化即可。
如此，我们发现了通过排除对于斜视场的液晶层的偏振状态变化的影响，同时减少斜视场的亮度变化和颜色变化的方法。此外，我们还发现，在这种情况下，通过在配置以外，使光学相位补偿薄膜的规格在o-mode的情况下和e-mode的情况下相等，视场角特性相等。可是，根据我们的研究，e-mode的结构从可靠性的观点出发较优异。这基于以下的理由。当采用图1左侧的o-mode结构时，多个光学相位补偿薄膜13与液晶显示装置的第二偏振片接触。因此，可以认为液晶显示装置使用者通过接触液晶显示装置的显示面，而通过第二偏振片11对多个光学相位补偿薄膜作用力。这里，现在作为光学相位补偿薄膜的材料而使用的材料中，折射率根据力变化的有很多。如果由这样的材料形成图1左侧的光学相位补偿薄膜13，则在所述状况下，光学相位补偿薄膜的折射率变化，容易产生面内显示的不均匀。
而在图1右侧的e-mode的情况下，难以发生这样的事情。即使液晶显示装置使用者对显示面作用力，由于光学相位补偿薄膜13位于两个衬底14和16的内侧，所以力难以传递。
此前说明的方法排除斜视场的液晶层的影响，提高黑显示时的视场角特性，但是作为其它考虑方法，例如在使用三原色滤色器的液晶显示装置中，对于红色、绿色、蓝色各显示区，把液晶层的厚度最优化，对于各色光，通过液晶层，进行同样的偏振状态变化的手法也是有效的。根据该手法，能提高黑显示时和白显示时的视场角特性。
[实施例]
以下结合具体的实施例进一步详细说明本发明的内容。以下的实施例表示的是本发明的具体例子，本发明并不局限于这些实施例。须指出的是，在本实施例中，也包含使用采用非专利文献2中描述的44矩阵方法的光学模拟进行数值计算、研究的结果。这里，在模拟试验中，使用常规的背光中使用的3波长冷阴极间的分光特性、R、G、B的滤色器的分光透射性；作为偏振片偏振层，使用日东电工制1224DU的分光特性。此外，光学相位补偿薄膜的波长分散使用聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯、降冰片烯类材料等，但是并不局限于它们。
此外，实施例中使用的垂直、90°等说法并不意味着完全的垂直，即使改变为大致垂直，或小的一方所成角度为88～90°，对上面所述内容的本质也不带来任何影响。关于平行的说明也一样。
在实施例中，为了描述现在的一般结构，所以以一层光学相位补偿薄膜实现一个双折射性功能为前提进行记述，但是实施例中表示的各光学相位补偿薄膜的双折射性也可以由多个光学相位补偿薄膜的组合实现。此外，也可以通过在衬底上涂敷材料、进行取向处理，形成光学相位补偿薄膜和偏振层。可是这时，实施例中所示的结构有时变化。具体而言，考虑在衬底的液晶层一侧配置偏振层的情形。这时，配置实施例中所示的液晶层的相反一侧的偏振片支撑基体材料成为形成偏振层的衬底或在衬底和偏振层之间形成的全部构件，而配置在实施例中所示的液晶层一侧的偏振片支撑基体材料不存在，或者成为形成在偏振层和通过涂敷形成的光学相位补偿薄膜之间的构件。本发明把重点放在光学结构上，如果实现本发明所示的光学结构，则不根据物理结构，就能实现本发明的效果。因此在实施例中，表示出适当的光学结构。
液晶单元或电极构造、衬底、偏振片的偏振层、照明装置能原封不动地采用作为IPS而从以往就使用的。本发明涉及液晶显示装置的结构以及偏振片支撑基体材料、追加的光学相位补偿薄膜。
对液晶层不外加电压时(黑显示时)的液晶分子长轴与衬底所成的小的角度(预倾斜角)在实施例中表示的模拟试验中为0°，但是在±3°的范围中，在本实施例中表示的倾向上不产生大的差。不过，当预倾斜角为0°时，表现最良好的特性。
这里使用的用语定义如下。
具有双折射性：面内(x，y)和厚度(z)方向的延迟大于约10nm，小于等于约550nm的情况。
大致各向同性：面内(x，y)和厚度(z)方向的延迟大于0，小于等于约10nm的情况。
e-mode：第一偏振片12的吸收轴12CA和不外加电压时的液晶分子的取向轴15S的方向大致垂直(小的一方所成角度为88～90°)的情况。
o-mode：第一偏振片12的吸收轴12CA和不外加电压时的液晶分子的取向轴15S的方向大致平行(小的一方所成角度为0～2°)的情况。
正a-plate：在平面内，折射率各向异性，厚度方向上的折射率大致等于面内折射率小的一方的媒体。设平面内的滞相轴方向的折射率为nx，面内进相轴方向的折射率为ny，厚度方向的折射率为nz，厚度为dr时，
Figure G2009100057259D00181
正a-plate的平面内延迟量为Δn·dr＝(nx-ny)·dr。相当于Nz系数为0.8～1.2的光学相位补偿薄膜。
正c-plate：在平面内，折射率各向同性，厚度方向的折射率大的媒体。设平面内的滞相轴方向的折射率为nx，平面内的进相轴方向的折射率为ny，厚度方向的折射率为nz，厚度为h时，
Figure G2009100057259D00182
正c-plate的延迟量R·h＝(nz-(nx+ny)/2)·h。相当于Nz系数为小于等于-5的光学相位补偿薄膜。
负a-plate：在平面内，折射率各向异性，厚度方向的折射率大致等于面内折射率大的一方的媒体。设平面内的滞相轴方向的折射率为nx，面内进相轴方向的折射率为ny，厚度方向的折射率为nz，厚度为dr时，
Figure G2009100057259D00183
负a-plate的平面内延迟量为Δn·dr＝(ny-nx)·dr。相当于Nz系数为-0.2～0.2的光学相位补偿薄膜。
负c-plate：在平面内，折射率各向同性，厚度方向的折射率小的媒体。设平面内的滞相轴方向的折射率为nx，面内进相轴方向的折射率为ny，厚度方向的折射率为nz，厚度为h时，负c-plate的延迟量R·h＝((nx+ny)/2-nz)·h。相当于Nz系数为大于等于5的光学相位补偿薄膜。
[实施例1]
图1表示本实施例的构造，图16表示光学结构。图16左侧是o-mode的情况下，图16右侧表示e-mode的情况下。在本实施例中，各使用一个正c-plate和正a-plate作为光学相位补偿薄膜。这里，把在平面内折射率各向同性、厚度方向的折射率大的称作正c-plate。按照数学式3，用数学式表示延迟R·h，则变为如下。
(数学式5)
Figure G2009100057259D00185
R·h＝(nz-(nx+ny)/2)·h
今后，正c-plate的延迟指厚度方向的延迟。在图16中，13C1表示正c-plate，13A1表示正a-plate。此外，13A1S是正a-plate的滞相轴方向。如图16所示，根据我们的研究，了解到有必要在o-mode的情况下使正a-plate滞相轴13A1S与液晶层的滞相轴15S大致平行，在e-mode的情况下使正a-plate滞相轴13A1S与液晶层的滞相轴15S大致垂直。根据该结构，图13和图14所示的偏振状态变换成为可能。如果在普安卡雷球上表示偏振状态变化，则成为图17那样。305C1是基于正c-plate的偏振状态变化，305A1是基于正a-plate的偏振状态变化。
这里，由于正a-plate13A和正c-plate13C1的延迟，黑显示时的视场角特性变化很大，所以有必要根据光学模拟来确定延迟。这里，有必要根据模拟求出的评价指标。由于本发明的目的在于减少黑显示时使视场角变化时的亮度变化和颜色变化，所以导入各评价指标。
作为亮度变化的指标，导入使视场角变化时的透射率最大值。根据图18对此作说明。图18在光学相位补偿薄膜的规格不同的三种液晶显示装置中，评价黑显示时的透射率视场角特性，把方位角固定，是仅使极角变化时的情形。根据图18，规格3的亮度变化特性最好。这里，比较各规格的透射率最大值，也能取得同样的结果。451T1、451T2、451T3分别是规格1、2、3的透射率最大值。如果透射率最大值小，就可以说伴随着视场角变化的亮度变化也小。
下面，引入Δxy作为颜色变化的指标。图19表示说明图。图19是在某光学相位补偿薄膜规格中，在CIE1931xy色度坐标上绘制黑显示时的颜色得到的，描绘了从全方位角、全极角方向观察到的全部色度坐标。作为结果，取得图19所示的椭圆区域。减少伴随着视场角变化的颜色变化与减小图19所示的椭圆区域相当。因此，把椭圆的长轴长度作为评价指标。这就是Δxy。
图20表示使正c-plate的延迟从30nm变化到170nm，与此独立地使正a-plate的延迟从50nm变化到200nm时的最大透射率变化，图21表示Δxy的变化。在图20中，460表示正c-plate的延迟量从170nm向30nm减小时的变化。根据图20，可以看到最大透射率对于a-plate的延迟变化取向下凸的变化，正a-plate的延迟为140nm左右时亮度变化最小。具体而言，正c-plate的延迟为80nm，正a-plate的延迟为140nm时，亮度变化变为最小。关于颜色变化可见图21。根据图21，Δxy相对于正a-plate的延迟变化向上凸的变化，能理解与最大透射率的变化方法相反。即，在亮度变化为最小的相位差板规格中，颜色变化不可能为最小。使用图22和图23表示该情况。图22表示最大透射率成为小于等于1.2％的正c-plate和正a-plate的延迟。例如在图22中，正c-plate的延迟为80nm，正a-plate的延迟为140nm时，满足最大透射率成为小于等于1.2％的条件，但是正c-plate的延迟为160nm，正c-plate的延迟为140时，不满足条件。这里，通过感觉评价决定1.2％的值。同样，图23表示Δxy变为小于等于0.15的条件。根据图23，由于在亮度变化减小的条件附近、颜色变化增大，所以所述正c-plate的延迟为80nm，正a-plate的延迟为140nm的、只考虑亮度变化的条件无法满足颜色变化的条件。
图24表示满足亮度变化和颜色变化两个条件的正c-plate和正a-plate的延迟。该延迟当然根据亮度变化和颜色变化允许值的设定而变化，但是减小亮度变化和颜色变化两者的困难在本质上是相同的。根据我们的研究，减少黑显示时的亮度变化和颜色变化两者的最佳规格为正c-plate的延迟为60nm，正a-plate的延迟为170nm。
如上所述，通过采用图16左侧所示的o-mode的情况下的结构、图16右侧所示的e-mode的情况下的结构，对于这里求出的c-plate和a-plate的延迟的黑显示时的视场角变化的倾向大致相同。
此外，在图16的结构中，交换正a-plate13A1和正c-plate13C1的位置，使正a-plate13A1的滞相轴13A1S为90°不同时，也能取得同样的偏振状态变化，图22～图24所示的结果是相同的。
这里，正c-plate和正a-plate的用语本来表示完全的一轴各向异性的媒体，但是已知使用与之相近的二轴各向异性媒体，本实施例中所示的倾向也不会有大的变化。已经确认，在本实施例中，把正c-plate置换为后面描述的Nz系数小于等于-5的光学相位补偿薄膜，把正a-plate置换为Nz系数为0.8～1.2的光学相位补偿薄膜，本实施例所示的倾向都不会有大的变化。
此外，本实施例所示的计算结果中，假定使用降冰片烯类材料作为光学相位补偿薄膜材料的情形，是设定了光学相位补偿薄膜的折射率对波长的依赖性的。但是在使用PC或聚苯乙烯时，也能取得大致相同的效果。
[实施例2]
图1表示本实施例的构造，图25表示光学结构。图25左侧表示o-mode的情况，图25右侧表示e-mode的情况。在本实施例中，作为光学相位补偿薄膜，使用各一个负c-plate和负a-plate。这里，把在平面内折射率各向同性、厚度方向的折射率小的称作负c-plate。如果按照数学式3，用数学式表示延迟R·h，则该式如下。今后，负c-plate的延迟指的是以下的厚度方向的延迟。
(数学式6)
Figure G2009100057259D00211
R·h＝((nx+ny)/2-nz)·h
此外，把平面内的折射率各向异性、厚度方向的折射率等于面内折射率大的称作负a-plate。如果按照数学式4，用数学式表示延迟，则该式如下。今后，负a-plate的延迟指以下的平面内延迟。
(数学式7)
Figure G2009100057259D00212
Δn·dr＝(ny-nx)·dr
在负a-plate中，折射率大的主轴有两个，但是今后描述为负a-plate的滞相轴时，是指面内折射率大的方向(在数学式7中，ny方向)。
这里，说明这些光学相位补偿薄膜的作用。当处于某偏振状态的光分入射到正c-plate、负c-plate时，考虑普安卡雷球的偏振状态变化，则当正c-plate和负c-plate的延迟相等时，发生彼此180°反向的偏振状态变化。
此外，当处于某偏振状态的光分别入射到正a-plate、负a-plate时，考虑普安卡雷球的偏振状态变化，则当正c-plate和负c-plate的延迟相等时，发生彼此180°反向的偏振状态变化。可是，两个a-plate具有面内折射率的各向异性，所以有必要注意滞相轴方向，为了发生彼此反向的偏振状态变化，正a-plate和负a-plate的滞相轴在平面内有必要有90°的不同。
那么，在图25中，13C2表示负c-plate，13A2表示负a-plate。此外，13A2S是负a-plate的滞相轴方向。如图25所示，根据我们的研究判明，在o-mode的情况下，负a-plate的滞相轴13A2S和液晶层的滞相轴15S需要大致平行，在e-mode的情况下，负a-plate的滞相轴13A2S和液晶层的滞相轴15S需要大致垂直。根据该结构，就能够进行图13和图14所示的偏振状态变换。如果在普安卡雷球上表示黑显示时的偏振状态变化，则如图26所示。305C2是基于负c-plate的偏振状态变化，305A2是基于负a-plate的偏振状态变化。如果与图17比较，就能理解用完全相反的路线进行偏振状态变换。因此，如果负c-plate和负a-plate的折射率对波长的依赖性程度相同，则实施例1中求出的各延迟的组合和黑显示时的视场角特性的关系大致相等。
此外，在图25的结构中，交换负a-plate13A2和负c-plate13C2的位置，使负a-plate13A2的滞相轴13A2S取90°不同时，也能取得同样的偏振状态的变化，图22～图24所示的结果是相同的。
这里，负c-plate和负a-plate的用语本来表示完全的一轴各向异性媒体，但是已知使用接近它的二轴各向异性媒体，本实施例中所示的倾向不会有大的变化。在本实施例中，把负c-plate置换为后面描述的Nz系数大于等于5的光学相位补偿薄膜，把负a-plate置换为Nz系数为-0.2～0.2的光学相位补偿薄膜，本实施例所示的倾向也不会有大的变化。
把光学相位补偿薄膜的材料变更为降冰片烯类、PC、聚苯乙烯等的情况下的处理也与实施例1同样。此外，通过采用图25所示的o-mode、e-mode的结构和轴配置，能使o-mode、e-mode的黑显示时的视场角特性相同这一点也与实施例1同样。
[实施例3]
图1表示本实施例的构造，图27和图28表示4种光学结构。图27和图28的左图表示o-mode的情况，图27和图28的右图表示e-mode的情况。在本实施例中，作为光学相位补偿薄膜，使用各一个正a-plate和负a-plate。为了使用正a-plate和负a-plate进行图13和图14所示的偏振状态变换，根据我们的研究清楚了存在图27和图28所示的4种结构。
图27左侧是在o-mode的情况下，在液晶层15一侧配置负a-plate13A2的结构，负a-plate13A2的滞相轴13A2S以及正a-plate13A1的滞相轴13A1S都与第一偏振片12的吸收轴12CA平行。图29表示该结构的黑显示时的偏振状态变换。能理解发生图13所示的偏振状态变化。
图27右侧是在e-mode的情况下，在液晶层15一侧配置正a-plate13A1的结构，负a-plate13A2的滞相轴13A2S以及正a-plate13A1的滞相轴13A1S都与第一偏振片12的吸收轴12CA平行。图30表示该结构的黑显示时的偏振状态变换。能理解发生图14所示的偏振状态变化。
图28左侧是在o-mode的情况下，在液晶层15一侧配置正a-plate13A1的结构，负a-plate13A2的滞相轴13A2S以及正a-plate13A1的滞相轴13A1S都与第一偏振片12的吸收轴12CA垂直。图31表示该结构的黑显示时的偏振状态变换。能理解发生图13所示的偏振状态变化。
图28右侧是在e-mode的情况下，在液晶层15一侧配置负a-plate13A1的结构，负a-plate13A2的滞相轴13A2S以及正a-plate13A1的滞相轴13A1S都与第一偏振片12的吸收轴12CA垂直。图32表示该结构的黑显示时的偏振状态变换。能理解发生图14所示的偏振状态变化。
根据图29～图32，可知图27以及图28所示的四种结构的偏振状态变化是彼此对称的，只是偏振状态变化的路线、顺序不同。即如果正a-plate以及负a-plate的延迟的组合相同，则四种结构在黑显示时显示出大致相同的视场角特性。因此，在基于后面描述的光学模拟的光学相位补偿薄膜的延迟的研究中只使用图28左侧的结构。
与在实施例1中要求图22的相同，在图22中，分别使正a-plate和负a-plate的各自的延迟变化，计算图28左侧的结构的黑显示时的最大透射率和Δxy，表示求出最大透射率成为小于等于1.2％的条件的结果。此外，图34表示求出Δxy为小于等于0.15的条件的结果。图35表示求出最大透射率为小于等于1.2％而Δxy为小于等于0.15的条件的结果。了解到与实施例1相同，难以减少黑显示时的亮度变化和颜色变化两者。此外，从图29～图32可知，基于正a-plate的偏振状态变换和基于负a-plate的偏振状态变换是对称的，所以图33～图35对于通过原点的对角线，大致为线对称。即，正a-plate的延迟为30nm、负a-plate的延迟为160nm的条件与正a-plate的延迟为160nm、负a-plate的延迟为30的条件对于黑显示时的视场角特性是等价的。在图33中，最大透射率变为最低是正a-plate和负a-plate的延迟为90nm的时候，但是从图34可知，在该条件附近，不能满足减少颜色变化的条件。在我们的研究中，同时减少亮度变化和颜色变化的条件是正a-plate的延迟为140nm，负a-plate的延迟为60nm。如上所述，该倾向在图27以及图28所示的全部结构中，大致是共通的。
这里，正a-plate或负a-plate的用语本来表示完全的一轴各向异性媒体，但是已知使用接近它的二轴各向异性媒体，本实施例中所示的倾向不会有大的变化。在本实施例中，把正a-plate置换为后面描述的Nz系数为0.8～1.2的光学相位补偿薄膜，把负a-plate置换为Nz系数为-0.2～0.2的光学相位补偿薄膜，本实施例所示的倾向也不会有大的变化。
此外，本实施例所示的计算结果中，假定使用降冰片烯类材料作为光学相位补偿薄膜材料的情形，设定了光学相位补偿薄膜的折射率对波长的依赖性，但是使用PC或聚苯乙烯时，也能取得同样的效果。
[实施例4]
图1表示本实施例的构造，图36和37表示光学结构。图36和37的右图表示e-mode的情况下的结构。在本实施例中，各使用一个Nz系数＞0.5以及Nz系数＜0.5的作为光学相位补偿薄膜。在Nz系数与折射率有关，是表现具有二轴各向异性的媒体的双折射性的情况，是频繁使用的量，平面内的滞相轴与x轴方向平行，x、y轴方向的折射率分别为nx、ny，z轴方向即厚度方向的折射率为nz，则由以下数学式表示。
(数学式8)
Nz＝(nx-nz)/(nx-ny)
这里，把面内折射率大的主轴方向称作二轴各向异性的光学相位补偿薄膜的滞相轴。此外，今后在只称作二轴各向异性媒体的延迟的情况下，指平面内延迟。
在图36和37中，13N1是Nz系数＞0.5的光学相位补偿薄膜，13N1S是该光学相位补偿薄膜的滞相轴方向。还有，13N2是Nz系数＜0.5的光学相位补偿薄膜，13N2S是该光学相位补偿薄膜的滞相轴方向。在图1所示的结构中，为了分别使用一个Nz系数＞0.5和Nz系数＜0.5的光学相位补偿薄膜，进行图13或图14那样的偏振状态变换，根据我们的研究，了解到能够考虑图36以及图37所示的4种结构。在图38～图41中使用普安卡雷球表示各结构的黑显示时的偏振状态变化。图38表示图36左侧的结构的偏振状态变化，图39表示图36右侧的结构的偏振状态变化，图40表示图37左侧的结构的偏振状态变化，图41表示图37右侧的结构的偏振状态变化。
四种偏振状态变化彼此对称，如果两个光学相位补偿薄膜的延迟相等，则无论采用四种中的哪个结构，黑显示时的视场角特性都大致相等。因此，只在图36左边的结构中进行研究两个光学相位补偿薄膜的延迟和黑显示时的视场角特性的关系的光学模拟。
与在实施例1中要求图22的相同，在图42中分别使两个光学相位补偿薄膜各自的平面内延迟变化，计算图36左侧的结构的黑显示时的最大透射率和Δxy，表示求出最大透射率为小于等于1.2％的条件的结果。此外，图43表示求出同时满足Δxy小于等于0.15的条件的结果。须指出的是，该结果在图36左侧中，为光学相位补偿薄膜13N1为Nz系数1.5，光学相位补偿薄膜13N2为Nz系数-1.5时的情况。首先，应该着眼的是在本实施例表示的结构中，在减少斜视场的亮度和颜色变化的条件中，与实施例1～3比较，能减少光学相位补偿薄膜的平面内延迟。实施例1～3以及本实施例中，当光学相位补偿薄膜的滞相轴相对于液晶层的滞相轴完全平行或垂直时，从正面观察液晶显示装置时的黑显示特性与没有光学相位补偿薄膜时没有任何变化。可是，当在制造上发生±2度左右的轴偏移时，正面的黑显示特性恶化。这里，在使用平面内延迟大的光学相位补偿薄膜的结构和使用平面内延迟小的光学相位补偿薄膜的结构中，发生轴偏移时，使用平面内延迟小的光学相位补偿薄膜的结构一方能抑制正面的黑显示特性的恶化。本实施例所示的结构能实现它。
如果根据图42以及图43，则Nz系数为1.5的光学相位补偿薄膜的延迟与Nz系数为-1.5的光学相位补偿薄膜的延迟相比，稍大一些。通过我们的研究，知道这是因为光学相位补偿薄膜引起的偏振状态变化是非对称的。如图38所示，如果在普安卡雷球上，在S2-S3面中发生对称的偏振状态变化，就能减小双方的延迟。如果设满足Nz系数＞0.5的光学相位补偿薄膜的Nz系数为Nz1，满足Nz系数＜0.5的光学相位补偿薄膜的Nz系数为Nz2，则由以下数学式表示。
(数学式9)
Figure G2009100057259D00261
图44～图46是满足该条件的结构，表示最大透射率成为小于等于1.2％的条件。在图47～图49中，表示同时满足Δxy小于等于0.15的条件。图44和图47是使用Nz系数-1以及Nz系数2的光学相位补偿薄膜的情况，图45和图48是使用Nz系数-1.5以及Nz系数2.5的光学相位补偿薄膜的情况，图46和图49是使用Nz系数-2以及Nz系数3的光学相位补偿薄膜的情况。如果比较图42和图44～图46，则能理解后者的条件是两个光学相位补偿薄膜的平面内延迟小。此外，图44～图46所示的区域对于通过原点的对角线是对称的。这表说明了实现了前面所述的偏振状态变化的对称性。结果，也实现颜色变化减少的图47～图49的条件也是两个光学相位补偿薄膜的平面内延迟减小。如果比较图44～图46，可以清楚Nz系数的绝对值大的结构能减小两个光学相位补偿薄膜的平面内延迟。
作为本实施例的特殊情形，有增大一方的光学相位补偿薄膜的Nz系数的情形。这时，能认为该光学相位补偿薄膜与c-plate大致同样，偏振状态变化也成为与实施例1或2所示的偏振状态变化类似。因此，与实施例1以及2相同，该光学相位补偿薄膜的滞相轴方向在平面内能在某种程度上自由决定。
本实施例所示的计算结果中，假定使用降冰片烯类材料作为光学相位补偿薄膜材料的情形，设定光学相位补偿薄膜的折射率对波长的依赖性，但是使用PC或聚苯乙烯时，也能取得同样的效果。
[实施例5]
在实施例1～4中，考虑了在偏振片支撑基体材料为折射率各向同性的情况下，排除液晶层的影响。可是，当偏振片支撑基体材料具有双折射性时，在原理上也能排除液晶层的影响。
图43表示本实施例的光学结构。图43左侧表示o-mode的情况，图43右侧表示e-mode的情况。在图43中，第一和第二偏振片的支撑基体材料12B以及11B都具有双折射性。13K1是光学相位补偿薄膜，抵消第一偏振片的支撑基体材料12B的双折射性，同样，13K2也是光学相位补偿薄膜，抵消第二偏振片的支撑基体材料11B的双折射性。例如，当偏振片支撑基体材料为正c-plate时，通过象图43所示那样配置延迟相等的负c-plate，就抵消了偏振片支撑基体材料的双折射性。当偏振片支撑基体材料为正a-plate时，如果如图43所示那样配置延迟相等的负a-plate，使滞相轴与偏振片支撑基体材料的滞相轴大致垂直，就抵消了偏振片支撑基体材料的双折射性。现在作为一般使用的偏振片支撑基体材料，可列举TAC，但是如上所述，它与负c-plate等价，所以当第一和第二偏振片都是以TAC为支撑基体材料时，在图43中，13K1和13K2可以为正c-plate。
这样，当偏振片支撑基体材料具有双折射性时，也能取得与使用折射率各向同性的偏振片支撑基体材料时相同的状况。即，可以认为图43与图4以及图6等价。因此，通过把多个光学相位补偿薄膜13与实施例1～4完全同样考虑，能排除液晶层的影响，能减少黑显示时从斜着观察时的亮度变化和颜色变化。
[实施例6]
图51表示本实施例的光学结构。图51左边是o-mode的情况，图51右边是e-mode的情况。在图51中，13K是抵消偏振片支撑基体材料影响的光学相位补偿薄膜。如图51所示，在o-mode的情况下，由光学相位补偿薄膜13K抵消第一偏振片支撑基体材料12B的影响，在e-mode的情况下，由光学相位补偿薄膜13K抵消第二光学相位补偿薄膜11B的影响。再者，在o-mode的情况下，在液晶层15和第二偏振片支撑基体材料11B之间配置多个光学相位补偿薄膜13。在e-mode的情况下，在第一偏振片支撑基体材料12B和液晶层15之间配置多个光学相位补偿薄膜13。
图52表示本实施例的黑显示时的偏振状态变化。图52左侧表示o-mode的情况，图52右侧表示e-mode的情况。在图52中，311P13是图51右边的光学相位补偿薄膜13引起的偏振状态变化，311S2是图51左侧的o-mode的情况下，第二偏振片支撑基体材料11B引起的偏振状态变化，图51右侧的e-mode的情况下，是第一偏振片支撑基体材料12B引起的偏振状态变化。
首先，说明o-mode的情形。如图51左侧所示，因为抵消了第一偏振片支撑基体材料的影响，所以在图52左侧的偏振状态变化中没有液晶层的影响。光透射过液晶层后，如图52所示，通过光学相位补偿薄膜13发生偏振状态变化311P13，偏振状态变为311Q。如果由于第二偏振片支撑基体材料11B引起的偏振状态变化311S2，该偏振状态Q变为偏振状态201A：PoutA，则与实施例5同样，变得能够排除液晶层的影响，抑制视场角引起的亮度变化、颜色变化。即，从与第二偏振片吸收轴一致的偏振状态201A：PoutA进行第二偏振片支撑基体材料11B引起的偏振状态变化311S2的逆变化时的偏振状态为311Q，决定多个光学相位补偿薄膜13，从而把透过液晶层后的偏振状态200T：PinT向311QQ变换。
下面说明e-mode的情况。在图51右侧和图52右侧，入射光60由于第一偏振片12C而变为偏振状态200T：PinT，但是由于第一偏振片支撑基体材料12B，产生偏振状态变化311S1，偏振状态变为311Q。然后，通过多个光学相位补偿薄膜13，产生偏振状态变化311P13，如果偏振状态为201A：PoutA，则此后通过液晶层不产生大的偏振状态变化。如图51右侧所示，通过光学相位补偿薄膜13K抵消第二偏振片支撑基体材料11B的影响，所以保持着透射过液晶层后的偏振状态201A：PoutA，向第二偏振层入射。因此，与实施例5同样，排除液晶层的影响，能减少视场角引起的亮度变化、颜色变化。即，以把偏振状态311Q向与第二偏振片吸收轴一致的偏振状态201A：PoutA变换的方式来决定多个光学相位补偿薄膜即可。。
作为一例，表示用TAC形成偏振片支撑基体材料，使用正c-plate和正a-plate作为光学相位补偿薄膜的情况。图53表示光学结构。图53左侧是o-mode的情况，图53右侧是e-mode的情况。在图53中，13C11-1是正c-plate，抵消相邻的TAC的影响，实现图51所示的光学相位补偿薄膜13K的任务。在图53中，13C1-2和13A1分别是正c-plate和正a-plate，实现图51所示的多个光学相位补偿薄膜13的任务。此外，正a-plate13A1的滞相轴13A1S在o-mode的情况下，与液晶层的滞相轴15S平行，在e-mode的情况下，与液晶层的滞相轴15S正交。图54表示该结构的偏振状态变化。图54左侧是o-mode的情况，图54右侧是e-mode的情况。在图54中，311C1-2和311A分别是图53的正c-plate13C1-2和13A引起的偏振状态变化。此外，在图54中，311T1和311T2分别是第一偏振片支撑基体材料引起的偏振状态变化和第二偏振片支撑基体材料引起的偏振状态变化。根据图54，能通过正c-plate和正a-plate实现图52考虑的偏振状态的变化。
根据我们的研究，作为图51的多个光学相位补偿薄膜，使用负c-plate和负a-plate各一个的情况下，使用正a-plate和负a-plate各一个的情况下，以及使用一个Nz系数0.2～0.8的光学相位补偿薄膜的情况下，图52所示的偏振状态变换都是可能的。
[实施例7]
图1表示本实施例的结构，图55表示其光学结构。在两图中，左边表示o-mode的情况，右边表示e-mode的情况。此外，在图1中，偏振片支撑基体材料11B和12B的折射率各向同性。本实施例各使用一个正c-plate、一个正a-plate、一个负c-plate和一个负a-plate构成图1的多个光学相位补偿薄膜。图55的结构中，在o-mode的情况下，正a-plate13A1的滞相轴13A1S和负a-plate13A2的滞相轴13A2S与液晶层15的滞相轴15S平行。此外，在e-mode的情况下，正a-plate13A1的滞相轴13A1S和负a-plate13A2的滞相轴13A2S与液晶层15的滞相轴15S垂直。
图56表示本实施例的黑显示时的偏振状态变化。在图56中，312C1、312A1、312A2、312C2分别是图56的正c-plate13C1、正a-plate13A1、负a-plate13A2、负c-plate13C2引起的偏振状态变化。根据我们的研究，在图56的偏振状态变化中，正c-plate和负c-plate以及正a-plate和负a-plate引起的偏振状态变化是对称的，从而判断能减少视场角引起的颜色变化。
通过图57的结构，能取得同样的偏振状态变化。图57左边表示o-mode的情况，图57右边表示e-mode的情况。图55和图57中，四个光学相位补偿薄膜的配置不同，此外，在图57中，正a-plate13A1的滞相轴13A1S以及负a-plate13A2的滞相轴13A2S在o-mode的情况下与液晶层15的滞相轴15S平行，在e-mode的情况下与液晶层15的滞相轴15S正交。图58表示该结构的黑显示时的偏振状态变化。图56和图58的偏振状态变化是对称的。即图55、图57的结构的偏振状态变化大致是等价的。
[实施例8]
在本实施例中，表示使光学相位补偿薄膜的折射率对波长的依赖性的变化，进一步减少黑显示时的亮度变化和颜色变化的方法。
作为一例，关于实施例3所示的结构，说明应用本实施例的情形。该光学结构如图27、图28所示。在实施例3中，表示出由PC、聚苯乙烯、降冰片烯类材料形成正a-plate13A1、负a-plate13A2，设定它们的折射率波长依赖性之后进行光学模拟的结果。图59表示由降冰片烯类材料形成的正a-plate的延迟的折射率依赖性。根据图59可知，在短波长处，延迟大，在长波长处，延迟小。作为光学相位补偿薄膜，使用PC、聚苯乙烯时，该倾向是同样的。考虑当使用这样的光学相位补偿薄膜时，在图27左的结构中，偏振状态变化根据波长如何变化。
在普安卡雷球上考虑偏振状态变化的情况，用以某轴为中心的旋转变换来表现。旋转的角度为2πR/λ。这里，R是延迟，λ是波长。
现在，在图27左的结构中，设定正a-plate13A1和负a-plate13A2的延迟，波长550nm左右的绿光在到达第二偏振片11时，受到图60那样的偏振状态变化。这时，绿光在第二偏振片处被吸收。图62表示这时波长为600nm左右的红色光受到的偏振状态变化。红光比绿光的波长还长，所以上面所述的旋转变换的旋转角度比绿色的情况下要小。同样，图62也表示了关于波长420nm左右的蓝光的偏振状态变化。蓝光比绿光波长还短，所以上面所述的旋转变换的旋转角度比绿色的情况下要大。即，就任意一个波长的光取得了图60那样的偏振状态变化，关于此外的其它波长的光，也产生了图61或图62那样的偏振状态变化。这对黑显示时的斜视场的亮度变化和颜色变化双方不产生影响。
因此，考虑了使光学相位补偿薄膜的延迟的折射率对波长的依赖性发生变化，来避免这样的现象的方法。为了使所述旋转变换的旋转角度不依赖于波长而固定，可以变为：
(数学式10)
R/λ＝K(固定)
即R＝Kλ。可知，光学相位补偿薄膜的延迟与波长为线性关系即可。从数学式10中，K为正数。图63表示从这样的考虑取得的理想的光学相位补偿薄膜的延迟波长依赖性。图63是一例，是对于波长为533nm的光，延迟为140nm的正a-plate的延迟波长依赖性。正a-plate和负a-plate具有这样的延迟波长依赖性，通过光学模拟，再度研究图27左的结构的黑显示时的视场角特性。
与实施例3中要求图33的一样，图64中表示出分别使正a-plate和负a-plate的各自的延迟变化，计算图27左侧的结构的黑显示时的最大透射率和Δxy，求出最大透射率变小于等于1.2％的条件的结果。此外，图65表示求出Δxy变为小于等于0.15的条件的结果。图66表示求出最大透射率变为大于等于1.2％、且Δxy变为小于等于0.15的条件的结果。如果比较图33和图64、图34和图65、图35和图66，则可以知道，通过具有本实施例中考虑的延迟波长依赖性的光学相位补偿薄膜，即使结构相同，也能大幅度改善黑显示时的视场角特性。在使用具有本实施例中考虑的延迟波长依赖性的光学相位补偿薄膜时，最大亮度以及Δxy降低的程度也得到大幅度的改善。
如果对于蓝光、绿光、红光的延迟分别为RR、RG、RB、则至少使用一个满足以下关系的光学相位补偿薄膜时，也能取得这样的倾向。
(数学式11)
RR＞RG＞RB
此外，在全部实施例1～9中，也能取得同样的结果。此外，不仅光学相位补偿薄膜，当具有折射率各向异性的偏振片支撑基体材料具有这样的延迟波长依赖性时，也能取得同样的结果。
[实施例9]
图1表示本实施例的结构图，图67表示光学结构图。在两图中，左图表示o-mode的情况，右图表示e-mode的情况。在本实施中，偏振片支撑基体材料11B和12B是双折射性媒体，具有与正a-plate同样的折射率各向异性。此外，如图67所示，支撑基体材料的滞相轴11BS和12BS分别与相邻的偏振层的吸收轴11CA以及12CA平行。
使用这样的偏振片，采用图67的结构，在透射过多个光学相位补偿薄膜13的前后，在o-mode的情况下，发生图13所示的偏振状态变化，在e-mode的情况下，发生图14所示的偏振状态变化。此时，了解到图67左图和图4以及图67右图和图6的光学结构关于偏振状态变化是等价的。即在横电场方式下，当使用本实施例所示的偏振片时，没必要象实施例5那样，为了排除斜视场的液晶层的影响，而抵消偏振片支撑基体材料的双折射性，或象实施例7那样，使用正a-plate来减小斜视场的液晶层的影响。象实施例1～4那样，通过多个光学相位补偿薄膜13，在o-mode的情况下进行图13所示的偏振状态变换，在e-mode的情况下进行图14所示的偏振状态变换即可。
此外，用负a-plate作偏振片支撑基体材料，其滞相轴与相邻的偏振层的吸收轴垂直时，也能取得同样的效果。
[实施例10]
生产具有图1的结构的液晶显示装置时，把多个光学相位补偿薄膜13与衬底14或者16粘贴在一起，再进行与偏振片11或12的粘贴操作，把预先粘贴偏振片和多个光学相位补偿薄膜的构件作为一个偏振片使用时，生产性提高。
例如，当生产具有实施例1所示的图16的结构的液晶显示装置时，可以把按照该图将偏振片、正a-plate和正c-plate粘贴在一起的构件作为一个偏振片使用。
这时，在使多个光学相位补偿薄膜实现作为偏振片支撑基体材料的功能时，在图1中，偏振片支撑基体材料11B或12B就不必要了，从而能减少构件。
这在生产具有实施例2～11所示的结构的液晶显示装置时也是同样的。
[实施例11]
图2表示本实施例的结构。图2左表示o-mode的情况，图2右表示e-mode的情况。在本实施例中，在o-mode的情况下，第二偏振片支撑基体材料11D由TAC形成，第一偏振片支撑基体材料的折射率各向同性，在e-mode的情况下，第一偏振片支撑基体材料11D由TAC形成，第二偏振片支撑基体材料为折射率各向同性。此外，使用一个负a-plate作为多个光学相位补偿薄膜13。
图68表示本实施例的光学结构。如图68所示，负a-plate13A2的滞相轴13A2S与液晶层15的滞相轴15S平行。这时，能取得与实施例1或实施例2所示的结构引起的偏振状态变化大致等价的偏振状态变化。在图22～图24中，如果把正c-plate的延迟改变为由TAC形成的偏振片支撑基体材料的延迟，则图22～图24的结果也能原封不动应用于图68的结构。
图24所示的减少亮度变化和颜色变化两者的条件的一部分能通过现在作为偏振片支撑基体材料使用的TAC充分实现。此外，TAC对于前面所述的由外力引起的折射率变动的耐受性非常高，所以根据图68的结构，能取得在减少黑显示时的斜视场的亮度变化和颜色变化的同时减少构件、提高可靠度的效果。
在考虑象实施例9那样的光学结构时，使TAC具有作为偏振片支撑基体材料的功能和作为多个光学相位补偿薄膜的一个的功能的想法在与偏振层相邻地配置负c-plate的情况下都能适用。

Claims (2)

1.一种液晶显示装置，其特征在于，包括：
配置在第一衬底的一侧的第一偏振片；
配置在第二衬底的另一侧的第二偏振片；
设在所述第一衬底和所述第二衬底之间、液晶分子与所述第一衬底或所述第二衬底平行且沿一个方向取向的、能进行黑显示的液晶层；和
照明装置，
所述第一偏振片和所述第二偏振片具有偏振层和分别配置在所述偏振层的两侧的支撑基体材料；
配置在所述偏振层的一方的所述支撑基体材料在平面内具有折射率各向异性，对于平面内的滞相轴方向的折射率n1、平面内的进相轴方向的折射率n2、厚度方向的折射率n3，满足n1＞n2≒n3；
折射率在平面内各向异性的所述支撑基体材料的滞相轴和所述偏振层的吸收轴大致平行；
在所述第一偏振片的吸收轴和所述液晶分子在黑显示时的取向方向大致平行的情况下，配置在所述第一偏振片的所述液晶层一侧的支撑基体材料在平面内具有折射率各向异性，对于平面内的滞相轴方向的折射率n1、平面内的进相轴方向的折射率n2、厚度方向的折射率n3，满足n1＞n2≒n3，折射率在平面内各向异性的所述支撑基体材料的滞相轴和所述偏振层的吸收轴大致平行；
在所述第一偏振片的吸收轴和所述液晶分子在黑显示时的取向方向大致垂直的情况下，配置在所述第二偏振片的所述液晶层一侧的支撑基体材料在平面内具有折射率各向异性，对于平面内的滞相轴方向的折射率n1、平面内的进相轴方向的折射率n2、厚度方向的折射率n3，满足n1＞n2≒n3，折射率在平面内各向异性的所述支撑基体材料的滞相轴和所述偏振层的吸收轴大致平行。
2.一种在偏振层的两侧具有支撑基体材料的偏振片，其特征在于：
至少一方的所述支撑基体材料在平面内具有折射率各向异性；
所述支撑基体材料对于平面内的滞相轴方向的折射率n1、平面内的进相轴方向的折射率n2、厚度方向的折射率n3，满足n1＞n2≒n3；
在平面内具有折射率各向异性的所述支撑基体材料的滞相轴和所述偏振层的吸收轴大致平行。
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