CN101802663A - 双轴双折射元件及其制造方法、液晶投影机 - Google Patents

双轴双折射元件及其制造方法、液晶投影机 Download PDF

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Abstract

通过在基板(69)上倾斜沉积无机材料来制造具有双轴双折射元件(40)的相位补偿器。无机材料的蒸发路径的极角控制在到基板(69)的表面法线的预定角度范围内。在倾斜沉积过程中，基板(69)在水平方向上振动。相位补偿器配置为其慢轴(L4)垂直于液晶面板(20)中倾斜成分(24a，24b)的慢轴(L3)，并且折射率椭球(41)在与所述倾斜成分(24a，24b)的倾斜方向相反的方向上倾斜。

Description

双轴双折射元件及其制造方法、液晶投影机
技术领域
本发明涉及与液晶面板一起使用以补偿光延迟(retardance)的双轴双折射元件，用于制造所述元件的方法以及液晶投影机。
背景技术
液晶投影机广泛用于在屏幕上投射图像。液晶投影机分为两种类型：从屏幕正面投射图像的正投式和从屏幕背面投射图像的背投式。
液晶面板(液晶单元)也分为透射型和反射型，它们均用于液晶投影机中。当投射图像时，液晶投影机首先通过将光打到显示图像的液晶面板上来产生信息光，并且通过投影透镜投射所述信息光来在屏幕上形成图像。然而，按照不同液晶模式工作的液晶面板在每个液晶模式下仅能提供相对较窄的视场。
例如在常白TN(扭转向列)液晶面板中，在不施加电压的情况下垂直液晶层进入的线偏振光将沿着扭转配向的液晶分子将它们的偏振波阵面旋转90°。这些线偏振光通过分配于液晶面板的出光侧的偏振器，并且TN液晶面板显现白色(白色显示状态)。相比之下，当向液晶层施加电压时，液晶分子从扭转配向状态释放并且垂直液晶层进入的线偏振光将不旋转它们的偏振波阵面而通过所述液晶层。这些线偏振光被偏振器阻挡，并且TN液晶面板呈现黑色(黑色显示状态)。
然而即使在黑色显示状态下，液晶层向倾斜入射光提供了双折射。换言之，在黑色显示状态下倾斜进入TN液晶面板的光线具有相位差并且在通过液晶层期间被调制为椭圆偏振光。椭圆偏振光通过出光侧的偏振器，并且降低了黑色显示的密度，缩窄了TN液晶面板的视场。
这一问题源于在承载液晶层的衬底附近的液晶分子。这些液晶分子即使在向液晶层施加电压时，也没有完全地垂直于衬底表面配向。即，在衬底附近，液晶分子被配向为与衬底距离更远的分子更倾斜于衬底表面。这些逐渐倾斜的液晶分子(以下称为倾斜成分)对倾斜通过液晶层的光线进行双折射，而它们对垂直通过液晶层的光线几乎没有双折射。因而，TN液晶面板的光调制性能取决于光线到液晶层的入射角，并且影响黑色显示的密度。注意，液晶投影机中，光线从具有与液晶面板的表面法线成约15°的锥角的圆锥形区域进入像素。
这种角度相关性不仅在TN液晶面板中存在，在其它液晶模式的液晶面板中，诸如VAN、OCB和ECB，也会发现这种角度相关性，只要它们包含在黑色显示状态中的倾斜成分。
另一方面，对于直视型液晶显示设备来说，由于角度相关性造成的对比度降低的问题可以由相位补偿器来消除。例如，此类相位补偿器已经有来自Fujifilm公司的“Fuji WV Film wide-view A”(产品名称/WV膜)在售。另外，在基板上倾斜沉积的材料的膜(以下，倾斜的沉积膜)可以被用作相位补偿器。因为具有双折射属性，所以倾斜的沉积膜能够补偿由倾斜成分导致的相位差，并且扩大液晶面板的视场(例如参见美国专利号5,638,197)。
同时，相位补偿器还用于液晶投影机中以便提高投影图像的对比度。例如，已有的液晶投影机具有由无机材料制成的相位补偿器，诸如上述的WV膜(日本专利特许公开2002-14345)。另一示例性应用的液晶投影机具有由在混合取向(hybrid orientation)上固化的碟状(discotic)液晶分子制成的相位补偿器(日本专利特许公开2002-131750)。
在现有技术中可能会发现由无机材料制成的相位补偿器的示例性应用，诸如日本专利特性公开2002-31782，其公开了使用单晶蓝宝石、石英或这种单轴双折射物质作为无机材料相位补偿器；美国专利号5,196,953，其公开了具有无机膜堆叠的双折射结构的液晶投影机；和日本专利特性公开2004-102200，其公开了使用不同无机材料的多个相位补偿器组合的液晶投影机。另外，欧洲专利申请公布号0179640公开了一种用于制造A板的方法，其中在蒸发器(evaporator)内的旋转基板上倾斜地沉积材料。
通常，双折射特性由三个主折射率定义的折射率椭球来表示。所有上述相位补偿器都用作O板，并且向液晶投影机提供了良好对比度的投影图像，所述O板具有倾斜于液晶面板表面的折射率椭球。另外，无机材料倾斜沉积膜在大多数情况下是双轴双折射的，并且被用作O板。这些倾斜沉积膜已知具有不同大小(amplitude)的三个主折射率(参见H.Angus Macleod的“Structure-related Optical Properties of Thin Films”，J.Vac.Sci.Technol.A，卷4，编号3，1986年，第418-422页)。最大和最小主折射率倾斜于基板表面。
相位补偿器在由有机物质制成时如果长时间暴露于包含UV的强光，将易于褪色。特别是，在使用更高强度光源并且比直视型液晶监视器达到更高温度的液晶投影机中，有机物质相位补偿器会差到仅在2,000-3,000小时就开始褪色。
当由诸如单晶蓝宝石或石英之类的双折射晶体制成时，相位补偿器变得足够耐用，但是对于晶体的切割表面和厚度来说要求高度精密的控制，使得相位补偿器过于昂贵而无法用于商用产品。
如上所述，无机材料的倾斜沉积膜是双轴双折射元件。常规的倾斜沉积膜不能完全补偿由于倾斜成分造成的相位差。换句话说，在常规的倾斜沉积膜中，当从基板的表面法线方向观看时的延迟慢轴(以下，正面延迟)通常与包括倾斜沉积的方向和基板的表面法线的平面平行。通过改变蒸发角度，可以使慢轴垂直于此平面，但是正面延迟可能仍然只有很小的值。因此，如果常规的无机材料倾斜沉积膜用来补偿由倾斜成分造成的相位差，那么必须结合使用具有与液晶面板的表面或A板平行的光轴的延迟器(retarder)。
考虑到上述内容，本发明的目的是提供一种耐用的、低成本和易于制造的双轴双折射元件，其可以适当地独立补偿液晶面板中的相位差。
发明内容
为了实现以上及其它目的，根据本发明的双轴双折射元件包括在基板上倾斜沉积的无机材料膜，并且具有主折射率n1、n2、n3和慢轴。主折射率n1位于包括所述倾斜沉积的方向和基板的表面法线的平面，并且以不小于10°并且不大于50°的角度倾斜于表面法线。主折射率n2平行于基板的表面。主折射率n3垂直于主折射率n1和n2。主折射率n1、n2和n3满足关系表达式n1＞n3和(n2-n3)/(n1-n3)＞0.3。当从表面法线的方向测量延迟时，慢轴基本上平行于所述主折射率n2。
根据本发明的液晶投影机包括至少一个由基板和在该基板上形成的至少一个双轴双折射元件组成的相位补偿器。此液晶投影机还包括液晶面板(液晶单元)，用于响应于向其施加的电压来改变液晶分子的配向，并且在黑色显示状态下至少一部分液晶分子倾斜。在本发明的优选实施例中，至少一个双轴双折射元件被配置为其慢轴垂直于倾斜的液晶分子的慢轴，而且主折射率n1在与倾斜的液晶分子的倾斜方向相反的方向上倾斜。
根据本发明的双轴双折射元件的制造方法包括执行倾斜沉积，同时在预定的角度范围内周期性地改变无机材料到基板的蒸发路径的方位角的步骤。
在此倾斜沉积过程中优选在围绕与基板的表面法线平行的轴的一部分环形路径之间振动基板。
在倾斜沉积过程中，还优选旋转基板并且将来自距旋转轴预定距离的蒸发源的无机材料提供至旋转的基板。在这种情况下，优选在一部分旋转路径中将基板与蒸发源隔离。
根据本发明，由液晶层中倾斜的液晶分子造成的相位差被适当地补偿，并且对于液晶投影机来说提高了图像对比度。相位补偿器包括通过倾斜沉积无机材料而制成的双轴双折射元件，并且它具有耐用性并且可以低成本制造。
附图说明
图1A和1B是用于图示液晶分子配向的解释性视图；
图2是用于表示由倾斜沉积制作的双轴双折射元件的折射率椭球的解释性视图；
图3是用于图示振动蒸发器的配置的解释性视图；
图4是用于图示振动基板的沉积方向的解释性视图；
图5是用于图示旋转蒸发器的配置的解释性视图；
图6是用于图示旋转基板的沉积方向的解释性视图；
图7是用于相对于液晶面板分配双轴双折射元件的解释性视图；和
图8是用于具有相位补偿器的液晶投影机的配置图，所述相位补偿器具有双轴双折射元件。
具体实施方式
为了提高液晶投影机的图像对比度，当液晶投影机的液晶面板显示黑色时，必须在图像投射所要求的视场范围内尽最大可能程度地补偿相位差。
如上所述，在如TN、VAN、OCB或ECB的液晶模式下的液晶面板在黑色显示状态下包含倾斜于衬底表面的液晶分子(以下称为倾斜成分)。这些倾斜成分对倾斜地通过液晶面板的光线进行调制，并且允许所调制的光线通过偏振器，导致降低了液晶投影机的图像对比度。
因此，为了提高液晶投影机的图像对比度，相位补偿器的折射率椭球需要根据倾斜成分来倾斜。然而，仅仅使用具有倾斜于液晶表面或O板的折射率椭球的延迟器作为相位补偿器无法对由液晶层中的垂直成分造成的相位差提供适当的视角补偿。
如图1A所示，在黑色显示状态下，TN液晶面板20中的液晶分子21可以根据它们的配向分为垂直成分22和倾斜成分23。位于液晶层25中心的垂直成分22从扭转配向的相位释放并且在黑色显示状态下大致均匀地垂直配向于衬底表面。
另一方面，倾斜成分23位于衬底表面附近，并且分为一个衬底26附近的成分23a和另一衬底27附近的成分23b。在黑色显示状态下，随着倾斜成分23远离衬底26、27，它们逐渐地增加倾斜角。同时，附图标记28、29是附着到衬底(其由玻璃等制成)的内表面的配向膜。
在图1B中，倾斜成分23a接近于相同倾斜角的倾斜成分24a。类似地，倾斜成分23b接近于相同倾斜角的倾斜成分24b。这些倾斜成分24a、24b中的每个可以被认为是单轴正O板。如上所述大致均匀地垂直配向于衬底表面的垂直成分22被认为是正C板。
因此，为了在整个预定视场范围内适当地补偿相位差，需要根据倾斜成分24a(或24b)来制造相位补偿器。具体而言，当倾斜成分24a(或24b)的对称平面被定义为垂直于衬底26(或27)的平面并且包括倾斜成分24a(或24b)的配向方向，并且相位补偿器的折射率椭球的对称平面被定义为包括主折射率n1和n3的平面时，应当满足以下三个条件：
1、倾斜成分24a(或24b)和折射率椭球的对称平面基本上相互重合。
2、倾斜成分24a(或24b)和折射率椭球相对于衬底的表面在相反方向上倾斜。
3、由倾斜成分24a(或24b)造成的正面延迟的慢轴正交于由相位补偿器造成的正面延迟的慢轴。
尽管如此，条件1不必是严格的，但是它需要大致被满足。例如，这样的相位补偿器，即，该相位补偿器的折射率椭球被配向为沿着厚度方向逐渐地扭转以便补偿倾斜成分中略微扭转的分子，被认为可满足条件1。
双轴双折射元件40由无机材料制成，并且被用作相位补偿器。在图2所示出的优选实施例中，双轴双折射元件40是倾斜沉积膜，其通过在基板(未示出)上倾斜沉积无机材料来制成。在附图中，附图标记40a、40b分别指代双轴双折射元件40的底表面和顶表面。底表面40a与基板接触。
双轴双折射元件40的主折射率n1位于由向基板蒸发无机材料的方向(以下称为沉积方向)和基板的表面法线所定义的平面中。主折射率n2位于X轴方向上，其垂直于主折射率n1并与基板表面平行。主折射率n3位于垂直于主折射率n1、n2的方向上。应当注意，由主折射率n1、n2和n3定义的折射率椭球41通常在沉积方向上并不倾斜。换句话说，当双轴双折射元件40的表面法线被认为是Z轴上的正方向时，Z轴和沉积方向之间的(极角)角度α并不与Z轴和主折射率n1之间的角度θ一致。折射率椭球41的极角α和倾斜角θ之间的关系取决于各种因素，包括要使用的蒸发器的特性和无机材料的属性。同时，Y轴方向垂直于X轴和Z轴方向。
当双轴双折射元件40被用作满足以上条件的相位补偿器时，双轴双折射元件40的厚度和折射率椭球41的倾斜角θ基于黑色显示状态下液晶面板的延迟(dΔn)和所施加的电压来确定。
另外，倾斜沉积膜中双轴双折射元件的光学特性取决于主折射率n1、n2、n3，n1到表面法线的倾斜角θ以及膜的厚度。这些参数的值由各种条件来确定，诸如要使用的无机材料(沉积材料)、蒸发器的类型和形状以及沉积条件，并且应由实验获得的制造条件来控制。例如，倾斜角θ可以由在蒸发源和基板之间的角度来控制。另外，可以由沉积材料量来控制膜的厚度。
为了表达上述条件3所必需的主折射率n1、n2和n3之间的大小关系，引入根据等式T＝(n2-n3)/(n1-n3)所导出的T值。习惯上说，双轴双折射元件40的两个光轴之间的角度跨90度角可以被标记为“正光性”或“负光性”。然而当光轴不可测量时，这样的标记是困难的并且无法用数值表达大小关系。这是在本说明书中使用T值的原因。
T值对应于折射率椭球的形状。例如，当T值近似为0时，折射率椭球是在主折射率n1的方向上以对称轴为中心的正单轴双折射。例如，当T值近似为1.0时，折射率椭球是在主折射率n3的方向上以对称轴为中心的负单轴双折射。除这种具体T值之外，折射率椭球通常是双轴的。此外，双折射元件可以具有1及以上的T值，并且在这种情况下T值仍然对应于折射率椭球的形状。
倾斜沉积膜通常具有在1.0和0之间的T值。特别是，利用基板表面和蒸发源之间的倾斜角被固定的常规倾斜沉积方法，所产生的倾斜沉积膜具有近似在0.05和0.3之间的T值。即，n2的值接近n3的值，并且在n1方向上折射率椭球被拉长。采用上述现有技术文档“Structure-relatedOptical Properties of Thin Films”的倾斜沉积膜作为例子，如下面的表1所示，T值在0.13和0.26之间。表1示出了即使当沉积方向的极角α(度)改变时ZrO2膜的T值仍基本上保持不变。这表明在常规的倾斜沉积方法中很难控制T值。
[表1]
  无机材料   α(度)   n1   n2   n3   T
  ZrO2   16.1   2.033   1.969   1.948   0.25
  ZrO2   47.0   1.788   1.575   1.502   0.26
  TiO2   16.1   2.552   2.452   2.437   0.13
T值不仅与双轴双折射元件的倾斜角θ紧密相关，而且与双折射元件的视角扩展特性紧密相关。即，倾斜角θ和T值的最优组合带来极好的视角扩展特性并且提供最佳的视角补偿效应。应当注意，液晶投影机待补偿的视角是自表面法线的20度范围，并且倾斜角θ和T值的一个以上组合可以提供最佳的视角补偿效应。
为了适当地补偿整个液晶投影机所需的视场范围的相位差，双轴双折射元件40的T值优选可以大于0.3，并且更优选地是大于0.5，并且再优选大于或等于0.6。另外，折射率椭球的倾斜角θ(即，主折射率n1到衬底的表面法线的角度)优选不小于10°并且不大于50°，并且更优选不小于10°并且不大于40°，并且再优选不小10°并且不大于30°。
应当注意，当T值变得更大时，最优的倾斜角θ将变得更大。还应当注意，可以制造主折射率n2大于主折射率n1的双折射元件，并且因此n2的大小可以在实践可达到的范围内确定。
三个主折射率和折射率椭球的倾斜角确定了由相位补偿器造成的相位差的角度相关性。因此考虑三个主折射率、折射率椭球的倾斜角和膜厚度来制造双轴双折射元件40。当膜厚度增加时，由双折射元件40造成的相位差增加。另外，尽管相位差取决于视角，但是视角之间的相位差的比率不由膜厚度而是由三个主折射率和折射率椭球的倾斜角来确定。
因此，为了满足以上条件1到3，应确定膜厚度和主折射率的大小以使得液晶面板和相位补偿器产生量相等但是符号相反的相位差。然而这些参数并非是一致确定的，而是考虑到液晶面板的延迟和视角特性独立地确定。
根据本发明的相位补偿器由基板和双折射元件40组成，所述双折射元件40为在基板上倾斜沉积的无机材料的沉积膜。利用改变无机材料落向基板的方位角来执行倾斜沉积过程。
具体而言，使用图3中示出的振动蒸发器60。此振动蒸发器60具有容器62，所述容器62在外壳61中旋转，就像转台一样。容器62分别承载沉积材料63a、63b。沉积材料63a在抽空的外壳61中由辐射自电子枪66的电子束67熔化并蒸发，从而执行真空沉积。在该过程期间，开关快门(shutter)64以开始并中止真空沉积。另外，可以旋转容器62以选择沉积材料63a、63b的其中之一。
在容器62上方，倾斜地安装基板支架68。基板支架68夹持由玻璃等制成的基板69。倾斜基板支架68，以使得基板支架68的夹持表面的表面法线与自沉积材料63a的竖直线P之间形成角度α。因此，基板69的沉积表面从线P倾斜角度α，并且沉积方向的极角与角度α一致。注意，基板支架68可绕着垂直于附图纸面的轴旋转，并且可以调节角度α以提供所需的极角。
基板支架68也可绕着轴68a旋转。在沉积过程期间绕着轴68a旋转基板支架68允许以恒定的极角改变沉积材料63a的蒸发路径至基板69的参考位置的方位角β。由此制造相位补偿器以满足上述条件1到3。优选在绕着轴68a的预定角度范围之间向前和向后摆动(振动)基板支架68。该振动的角度范围优选大于0°并且不大于90°，并且更优选地是不小于10°并且不大于90°，并且再优选是不小于10°并且不大于60°。
如图4所示，当从基板69观看时，蒸发源71在以旋转轴72为中心的圆弧路径73上振动，所述旋转轴72平行于基板69的表面法线。具体而言，蒸发源71在方位角β之间振动，同时保持到基板69的角度α不变。换句话说，沉积材料63a来自方位角β的范围内同时极角保持为α，并且在基板69上累积。在此过程中，沉积材料63a在主折射率n2的方向上扩展并累积，相应地增加主折射率n2的值。另外，控制振动速度以远快于累积速度可以防止双轴双折射元件的物理微观结构以S形状扭曲，并且允许主折射率n1在由蒸发源的时间平均位置所定义的方向(平均沉积方向)L1上倾斜。
注意，本发明不限于振动蒸发器60。例如，如图5所示，可以利用旋转式蒸发器82来制造相位补偿器。旋转式蒸发器82包括基座81、旋转轴83、基板支架84和蒸发源86。基座81从蒸发源86观看时向内或凹进地成圆形，并且绕着旋转轴83在一个方向上旋转。基板支架84附着到基座81的凹陷表面，每个基板支架84夹持基板69。蒸发源86在旋转轴83下方偏离其预定距离。即，蒸发源86设置为偏心于基座81的旋转轴。
如图6所示，当从与基座81一起旋转的基板69观看时，蒸发源86在环形路径87上旋转。这导致极轴α和方位角β在预定的角度范围内连续地改变。因此，沉积材料在预定的角度范围内从不同的方位角β连续地飞出，并且在主折射率n2的方向上累积，相应地增加主折射率n2的值。另外，控制基座81的旋转速度以远快于沉积材料的累积速度可以防止双轴双折射元件的物理微观结构以螺旋形状扭曲，并且允许主折射率n3在由蒸发源86的时间平均位置所定义的方向(平均沉积方向)L2上倾斜。
当使用旋转式蒸发器82时，优选在基板69的一部分旋转路径中将基板69与蒸发源86隔离。例如，可以在基座81和蒸发源86之间提供具有裂缝的隔离板。此隔离板改变基板69的沉积材料的极角α和方位角α的分布。因此，调节隔离区域改变了T值和主折射率n1和n3至基板表面的倾斜角。
由此制造的相位补偿器被配置为相对于必要的视场范围内的光线，液晶层中的倾斜成分的倾斜方向和相位补偿器的正面延迟的慢轴变得近似彼此垂直。另外，与由液晶层中的倾斜成分造成的相位差相比，相位补偿器被定向为逆转了相位差的增加和减少。
由此配置的相位补偿器可以补偿在预定的视场范围中对光线造成的相位差的角度相关性。因而，对于液晶面板来说扩大了视场，并且提高了液晶投影机的图像对比度。
即，如图7所示，双轴双折射元件40被配置为在液晶层25中的倾斜成分24和折射率椭球41在分别相对于Z轴的Y轴的正和负方向上倾斜。在此状态下，由倾斜成分24造成的正面延迟的慢轴方向L3平行于Y轴。另外，由双轴双折射元件40造成的正面延迟的慢轴方向L4平行于X轴。因此倾斜成分24和双轴双折射元件40的慢轴方向彼此垂直。
由于TN液晶面板20的液晶层25包含倾斜成分24a、24b，如上所述，所述倾斜成分24a、24b位于上和下衬底附近，需要具有双轴双折射元件40的两个相位补偿器分别处理倾斜成分24a、24b。具体而言，两个相位补偿器被配置为它们正面延迟的慢轴彼此垂直。然而不必分别配置这些相位补偿器，而是可以在单个基板的两面形成双轴双折射元件40。作为选择，双轴双折射元件40可以在基板的一侧上涂覆。应当注意，即使单层的双轴双折射元件40也可以补偿由倾斜成分24a、24b之一造成的相位差，并且在一定程度上提高TN液晶面板的对比度。
另一方面，在VAN液晶面板中，液晶分子以大约5°的预倾斜配向于衬底的表面法线，并且它们造成预定的视场范围内的光线的相位差。因此，VAN液晶面板需要一个具有双轴双折射元件40的相位补偿器，被配置为其正面延迟的慢轴垂直于液晶分子的预倾斜方向。
当与OCB液晶面板组合时，涂覆两个具有双轴双折射元件40的相位补偿器，使得它们的折射率椭球在相反方向上倾斜并且它们的正面延迟的慢轴彼此平行。在ECB液晶面板中，倾斜成分在电压施加状态下位于液晶层中的两个点，并且彼此平行配向。因此，ECB液晶面板需要一个具有双轴双折射元件40的相位补偿器。
双轴双折射元件40可以与负C板组合。此C板可以是有机聚合物板，或者薄膜结构双折射元件。
无论液晶模式为何，在偏振器和液晶面板之间提供至少一个双轴双折射元件40将显著地提高屏幕上投影图像的对比度。下面将以几个例子来描述这一特征。
[例子1]
使用振动蒸发器60，以每秒0.2nm的沉积速度将组合物ZrO2-TiO2倾斜地沉积到硼硅酸盐玻璃的基板上，以便形成具有1.5μm的物理膜厚度的双轴双折射元件。在蒸发源和基板之间的距离是600mm，并且极角α是70°。以每分钟10圈的速度在±30°的范围之间振动基板。利用SEM观察由此得到的倾斜沉积膜的横截面，将发现相对于基板的表面法线倾斜35°的规则的微观结构。然而并未发现对应于基板振动的周期性微观结构。
具有双轴双折射元件的此相位补偿器呈现65nm到550nm光的正面延迟，主折射率n1为1.760，n2为1.730并且n3为1.640。T值为0.75。折射率椭球到基板的表面法线的倾斜角θ为24°。当从基板观看时，此相位补偿器的正面延迟的慢轴垂直于蒸发源的旋转轴到基板上的正交投影。
[例子2]
除物理膜厚度为2.0μm之外，在与例子1相同的条件下获得在基板上具有双轴双折射元件的相位补偿器。此相位补偿器呈现10nm到550nm光的正面延迟，主折射率n1为1.800，n2为1.782并且n3为1.743。T值为0.68。折射率椭球到基板的表面法线的倾斜角θ为24°。与例子1类似，当从基板观看时，此相位补偿器的正面延迟的慢轴垂直于蒸发源的旋转轴到基板上的正交投影。随后将此相位补偿器与具有VAN液晶面板的液晶投影机组合，投影图像的对比度从800∶1提高到1500∶1。
[例子3]
使用旋转式蒸发器82，以每秒0.2nm的沉积速度在玻璃基板上倾斜地沉积五氧化二钽，以便形成物理膜厚度为1.0μm的双轴双折射元件。蒸发源和基座的旋转轴之间的距离为400mm，并且基板放置于距离旋转轴450mm处并且保持在1000mm高。以每分钟10圈的速度来旋转基座，并且在此旋转期间沉积方向的极角α从72°改变为35°，并且方位角β在±23°范围之间变化。
具有双轴双折射元件的此相位补偿器呈现50nm到550nm光的正面延迟，主折射率n1为1.800，n2为1.782并且n3为1.744。T值为0.68。折射率椭球到基板的表面法线的倾斜角θ为24°。当从基板观看时，此相位补偿器的正面延迟的慢轴垂直于蒸发源的旋转轴到基板上的正交投影。然后将这些相位补偿器中的两个与具有TN液晶面板的液晶投影机组合，投影图像的对比度从450∶1提高到1000∶1。
如图8所示，液晶投影机100包括投影透镜116、光源单元126和信息光生成部件127，用于从光源单元126发射的光线来生成信息光。
光源单元126包括灯131、反射镜132、UV截止滤波器133、积分器134、中继透镜137、准直透镜138、偏振器139和镜子141。
灯131是诸如氙气灯之类的高强度光源，并且发射自然的非偏振白光。来自灯131的白光进入UV截止滤波器133以去除紫外线，并且被指向积分器134。反射镜132例如具有椭圆曲面，并且灯131被置于此曲面的一个焦点附近。曲面的另一焦点位于积分器134的一端附近。因此反射镜132可以有效地将来自灯131的白光引到积分器134。积分器134均匀地混合来自灯131的白光，并且通过中继透镜137将它引到准直透镜138。准直透镜138将来自积分器134的光转换为光源轴L2的平行光，并且将其引到偏振器139。偏振器139将来自准直透镜138的光转换为线偏振光，并且通过镜子141将它引到信息光生成部件127的二向色镜142。
信息光生成部件127包括二向色镜142、143；液晶面板(液晶单元)146、147、148；相位补偿器161、162、163和正交二向色棱镜155。
二向色镜142定位为在其表面法线和入射光的光轴之间形成45度角。此二向色镜142透射来自光源单元126的S偏振白光中的红光分量，并且将它们引到反射镜144。反射镜144将来自二向色镜142的红光引到液晶面板146。同时，二向色镜142反射白光中的绿光和蓝光分量，并且将它们引到二向色镜143。二向色镜143定位为在其表面法线和入射光的光轴之间形成45度角。二向色镜143反射来自二向色镜142的光中的绿光分量，并且将它们引到液晶面板147。同时，二向色镜143透射来自二向色镜142的光中的蓝光分量，并且将它们引到反射镜158。此蓝光被反射镜158和另一反射镜159反射，并且被引到液晶面板148。
液晶面板146是透射型LCD，并且布置在偏振器151和分析器152之间。偏振器151将通过液晶面板146的光线转换为沿着透射轴偏振的光。分析器152配置为所谓的正交尼科尔(crossed-Nichol)，以使得其透射轴垂直于偏振器151的透射轴，以便仅透射来自液晶面板146的光线中在透射轴方向上偏振的光线并且将它们引到正交二向色棱镜155。液晶面板146由投影机驱动部件(未示出)控制，并且显示在从计算机等获取的图像数据中的红色分量作为灰度级图像。因此，来自反射镜144的红光当它通过偏振器151、液晶面板146和分析器152时被转换为携带投影图像的红色分量信息的红色信息光。
类似地，液晶面板147是透射型LCD，被布置在偏振器153和分析器154之间，并且显示图像数据中的绿色分量作为灰度级图像。来自二向色镜143的绿光当它通过偏振器153、液晶面板147和分析器154时被转换为携带投影图像的绿色分量信息的绿色信息光。然后，绿色信息光进入正交二向色棱镜155。类似地，液晶面板148是透射型LCD，被布置在偏振器156和分析器157之间，并且显示图像数据中的蓝色分量作为灰度级图像。来自反射镜159的蓝光当它通过偏振器156、液晶面板148和分析器157时被转换为携带投影图像的蓝色分量信息的蓝色信息光。然后，蓝色信息光进入正交二向色棱镜155。
使用玻璃或这类透明材料将正交二向色棱镜155制成基本立方体，并且具有两个正交的二向色表面155a、155b。二向色表面155a反射红光并且透射绿光。另一方面，二向色表面155b反射蓝光并且透射绿光。即，正交二向色棱镜155将红、绿和蓝色信息光组合成投射光，其随后作为全色投影图像被投射到屏幕128上。
如上所述，相位补偿器161是由在基板69上倾斜沉积的无机材料制成的薄膜双轴双折射元件170。相位补偿器161被布置于偏振器151和分析器152之间，并且补偿通过偏振器151、液晶面板146和分析器152的光线的延迟。具有与相位补偿器161相同结构的相位补偿器162被布置于偏振器153和分析器154之间，并且补偿通过偏振器153、液晶面板147和分析器154的光线的延迟。类似地，相位补偿器163补偿通过偏振器156、液晶面板148和分析器157的光线的延迟。
相位补偿器161到163中的每个仅被分配在偏振器和分析器之间，并且可以布置于偏振器和液晶面板之间或者分析器和液晶面板之间。另外，双轴双折射元件可以与偏振器、分析器或液晶面板集成。此外，具有双轴双折射元件的此相位补偿器还可以用于反射型液晶面板。
在本发明中可以进行各种改变和修改并且它们应当被理解为在本发明的范围之内。
工业实用性
本发明优选应用于具有液晶面板的图像显示设备，诸如液晶投影机和液晶电视。

Claims (7)

1.一种通过在基板上倾斜沉积无机材料而形成的双轴双折射元件，包括：
在包括所述倾斜沉积的方向和所述基板的表面法线的平面中的主折射率n1，所述主折射率n1以不小于10°并且不大于50°的角度倾斜于所述表面法线；
与所述基板的表面平行的主折射率n2；
垂直于所述主折射率n1和n2的主折射率n3，其中所述主折射率n1、n2和n3满足关系表达式n1＞n3和(n2-n3)/(n1-n3)＞0.3；以及
当从所述表面法线的方向测量相位差时基本上平行于所述主折射率n2的慢轴。
2.一种液晶投影机，包括至少一个相位补偿器，该相位补偿器具有至少一个如权利要求1所述的双轴双折射元件。
3.如权利要求2所述的液晶投影机，还包括：
液晶面板，用于响应于向其施加的电压来改变液晶分子的配向，至少一部分所述液晶分子在黑色显示状态下是倾斜的，
其中，将至少一个所述双轴双折射元件取向为使得所述慢轴垂直于倾斜的液晶分子的慢轴，并且所述主折射率n1在与所述倾斜的液晶分子的倾斜方向相反的方向上倾斜。
4.一种通过在基板上倾斜沉积无机材料来制造双轴双折射元件的方法，包括步骤：
执行所述倾斜沉积，同时在预定的角度范围内周期性地改变所述无机材料到所述基板的蒸发路径的方位角。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述倾斜沉积步骤还包括：
在围绕平行于所述基板的表面法线的轴的一部分环形路径之间振动所述基板。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述倾斜沉积步骤还包括：
旋转所述基板；以及
将来自距所述旋转的轴预定距离的蒸发源的所述无机材料蒸发并沉积在旋转的基板上。
7.如权利要求6所述的方法，其中在一部分所述旋转的路径中所述基板与所述蒸发源隔离。
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