CN1160222A - 彩色液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明为了在OCB模式的液晶显示器中防止在右侧和左侧视角下及上侧和下侧视角下屏面的倒转和视觉劣化。通过在对R、G和B每种颜色的较低驱动电压下，得到(在利用相位补偿膜进行校正前的光程差的绝对值{R(V1)})的最佳数值来防止屏面视觉的劣化。具体地说，对B波长使R(V1)/λ≤0.85，通过调节每种颜色的液晶盒间隙，改进在右侧和左侧视角下的屏面显示特性。

Description

彩色液晶显示器
本发明涉及一种用于驱动液晶显示器的方法，特别是涉及一种驱动利用OCB(光补偿双折射)技术用以实现宽的视角和高速响应特性的液晶显示器的方法。
目前广泛用于TFT彩色液晶显示器(TFT/LCD)的扭曲向列相(TN)液晶盒存在的问题是它的视角小并且当从斜的方向观察LCD板面时出现图像的对比度或反差变差的现象。因此，有人试图通过将在LCD上的每个像元分成两个部分并使每个部分沿不同的方向取向的多畴法或者一种将像元分成多个部分的方法来实现宽的视角。此外，近年来相应于多媒体形式的出现需要一种动态图像处理功能，即高速传输在液晶显示器屏上的大量图像数据，并且希望改进液晶显示元件的高速响应特性。
近年来采用OCB液晶盒取代TN液晶盒作为液晶显示器元件的研究已经取得进展。在美国专利US-5410422和已公开未经审查的专利申请7-85254中介绍了OCB液晶盒的理论。通过采用OCB液晶盒技术，与多畴法(multidomain)相比较能够更易于实现宽的视角，此外，可以实现高速响应特性，其响应速度比常规的TN液晶盒高出一个数量级。图1是用于解释OCB液晶盒的结构的透视图。在顶部和底部玻璃基片之间装有弯曲取向的液晶材料。在两个玻璃基片外侧区域分别设置一个偏振片。在一个玻璃基片和一个偏振片之间设有相位差补偿膜。因此OCB的特征在于具有将弯曲取向的液晶盒与相位差补偿膜相结合形成的结构。
弯曲取向例如在图1的座标系统中表现为这样一种取向，其中液晶分子的取向几乎仅出现在XZ平面中。在这种弯曲取向液晶盒的情况下，因为即使施加的电压是变化的，顶部和底部液晶总是对称的，所以在XZ平面内的视角相关性呈现对称的特性。这是在液晶分子扭曲取向的TN型液晶盒所不具备的一个优点。因为在TN型液晶盒的情况下，液晶分子是扭曲排列的，因此存在三维空间中的相移，其校正是困难的。然而，弯曲取向液晶盒在一个平面内例如XZ平面已具有对称特性，其不需要校正并且利用相位差补偿薄膜足以在其余两个平面内校正相位差。相位差补偿薄膜是一种双光轴薄膜，它能够消除相位差，使得显示器具有宽视角。
然而，当由液晶显示的颜色的数量增加到两种或更多种时，仅利用上述技术不可能得到良好的显示特性。例如，当显示红(R)、绿(G)、和蓝(B)三种颜色时就会产生下面的问题。
通常，在弯曲状态下的光的相位差(光程差)是液晶盒上所施加电压V的函数。在这种情况下，光相差(偏移)表示当光通过液晶部分时在X方向相位和Y方向相位之间产生的差(在这种情况下，XY平面位于液晶板表面)。图2和图3简要表示为什么会产生相位差的原因。图2a是当施加的电压为0或较低时的沿液晶板的厚度方向的剖面图。当对液晶盒施加的电压为0或较低时，液晶分子呈现很强的弯曲取向，其中液晶分子朝向液晶盒的中部向上倾斜。图2b是图2a的顶视图。在图2a中所示的状态下，接近图2b中所示两侧电极的液晶分子沿X方向取向。图3a表示施加相对高的液晶盒施加电压时的液晶分子的取向。通过施加相对高的液晶盒施加电压，更多的液晶分子沿与电极平面垂直的方向取向。因此，如图3b中所示，当从顶部看时，较少的液晶分子沿X方向取向。按照弯曲取向方式，因为液晶分子原本在XZ平面取向，较少液晶分子沿Y方向取向。
液晶分子的取向改变了沿取向方向通过液晶的光的有效折射系数。由于按照OCB模式液晶分子仅在XZ平面内取向，随着施加较高的电压X方向的折射系数降低，但Y方向的折射系数不变。按照上述理论，施加的电压改变了在X和Y方向折射系数之间的相对大小。在液晶分子随着液晶盒施加电压的变化而呈现不同取向的情况下，按照液晶分子X方向取向的程度不同(见图2b和3b)X方向的折射系数是不同的。在图2b所示的情况下(施加低电压)，液晶更明显地沿X方向取向并且沿作为取向方向的X方向的折射系数增加。因此，与图3b所示的情况(施加高电压)相比，X方向的相位差相对增加。相位差是由表达式“exp(2πiΔnd/λ)”近似得到的。其中，“i”代表一个虚数，“Δn”表示折射系数，“d”表示液晶盒间隙，“λ”表示光的波长。液晶盒间隙“d”沿X方向和Y方向是相同的，光的波长“λ”是恒定的。因此，折射系数的变化Δn直接影响相位差。
在弯曲状态下的光的相位差R是液晶盒施加电压V的系数，可表示为R(V)。图4表示R(V)和液晶盒施加电压之间的关系曲线。随液晶盒施加电压的上升，光的相位差R(V)降低。这是因为当施加更高的电压时，液晶分子的取向趋于与基片相垂直，因此，折射系数所受影响较小，结果不易产生相位差。
如上所述，利用具有双光轴的特性的相位差补偿膜可补偿光的相位差。相位差补偿膜具有可在某一液晶盒施加电压下消除光的相位差的功能。图5表示当利用相位差补偿膜补偿在液晶盒施加电压V2下产生的光的相位差时光相位差与液晶盒施加电压之间的关系。例如在图5中，相位差补偿膜校正在液晶盒施加电压V2下的光的相位差R(V2)。因此，图5中所示的曲线由于相位差补偿膜的校正作用整体使光的相位差R(V)下降R(V2)，并且在液晶盒施加电压V2下光的相位差被消除。因此，在这种情况下，液晶显示器的屏幕变黑。需要对这样的事实予以注意，即使利用相位差补偿膜来进行补偿，在施加的液晶盒电压V1和V2下的光的相位差R(V1)和R(V2)间的差ΔR也是恒定的。
当假设施加的最大液晶盒电压为V2，施加的最小液晶盒电压为V1时，ΔR确定了由最小为0到最大亮度的宽度。在这种情况下，利用如下表达式(1)表示ΔR和作为液晶显示器的显示特性的一个参数的透射系数T之间的相互关系。
            T＝Sin2(ΔR/λ·π)           …(1)
通常，这样设计液晶显示器，使得透射系数T在一定的波长下可调节的范围为100％。这是因为当透射系数T被置于100％时液晶显示器的屏面由白到黑彻底改变。即，根据表达式(1)，最好确定ΔR和λ之间的相互关系，使ΔR/λ等于0.5。
然后，通过引入液晶盒间隙d和液晶折射系数Δn的概念，研究光的相位差(下文称为光程差)R、光程差之差ΔR、波长λ和透射系数T之间的相互关系。首先，光程差R与液晶盒施加电压V近于成反比。因此，当假设在某一电压V1下的光程差为R(V1)时在任一施加的电压V的光程差R(V)可以利用如下表达式(2)来表示。
            R(V)＝R(V1)(V1/V)             …(2)因此，由于对于V＝V2，得到R(V2)＝(V1)(V1/V2)，按如下表达式表示光程差之差，ΔR＝R(V1)-R(V2)。
                ΔR＝R(V1)(1-V1/V2)                 …(3)在这种情况下，从光学设计的观点出发，利用包含液晶盒间隙d和液晶折射系数Δn的如下表达式(4)来表达光程差之差会更方便。
                R(V1)＝K1·Δnd                     …(4)这是因为液晶盒间隙d和液晶折射系数Δn代表特定的产品设计值，尽管光程差R代表一个物理量的数值。在表达式(4)中，K1代表一常数，用于确定R(V1)和Δnd等效值之间的相互关系。虽然，常数K1实际上取决于液晶介电常数、弹性常数和施加的电压V1，但常数K1通常近似等于1/3。这样通过将表达式(4)代入表达式(3)，得到如下的表达式(5)。
                ΔR＝K1Δnd(1-V1/V2)                …(5)当假设K1＝1/3，V1＝2V，V2＝6V，ΔR＝2/9，由表达式(5)得到Δnd式由表达式(4)得到R(V1)＝Δnd/3。
通过引入上述各种常数，和对表达式(1)进行变换，得到如下的表达式(6)。
                ΔR/λ＝(Sin-1(T0.5))/π            …(6)通过按照表达式(6)确定所需的透射系数T作为一个设计值，能够推断哪一个ΔR可以使用。如上所述，由于ΔR代表一个物理量值但用于设计不方便，利用Δnd代替ΔR进行如下的运算。首先，通过引入一个常数K2＝R(V2)/R(V1)，导出K2＝R(V2)/R(V1)＝V1/V2，因为V＝V2代入表达式(2)，由表达式(5)得到与K2相关的如下表达式(7)。
               ΔR＝K1Δnd(1-V1/V2)＝K1Δnd(1-K2)   …(7)此外，由于表达式(6)也表示ΔR，通过利用表达式(7)等效代换表达式(6)可以得到如下的表达式(8)。
          K1Δnd(1-V1/V2)＝((Sin-1(T0.5))/π)λ    …(8)这样，通过对Δnd展开表达式(8)，最终得到如下表达式(9)表示的Δnd和T之间的关系。
         Δnd＝(Sin-1(T0.5))λ/K1(1-V1/V2)π       …(9)在这种情况下，由于K2＝V1/V2，当将T设定为某一数值时，通过将K1、V1、V2代入表达式(9)，可以得到乘积Δnd(通过将液晶盒间隙和液晶折射系数相乘得到)和波长λ之间的关系。
例如，根据上面的条件，得到K1＝1/3、V1＝2V和V2＝6V。因此，当设定T1＝1或T＝0.8时，得到如下的数值。
T＝1      Δnd＝2.25λ
T＝0.8    Δnd＝1.6λ
上述内容都是与OCB模式的液晶显示器的一般设计相关的问题。然而，在常规的OCB模式的液晶显示器的实例中，沿可视角的顶侧和底侧方向会产生光线自蚀(reversal)(或负像)和混色(coloring)现象。前者表示在图7中。图7是通过沿X轴表示透射系数和沿Y轴表示视角(当角度是相对Y方向限定时)得到的关系曲线。由图7可以发现，在大视角的区域内产生亮度反转。此外，观察作为用于表示显示特性的一个指数的混色的结果，如在图8中的C.I.E1931中的X和Y指示值所示，在40°的极角下可观察到很大程度的混色。此外，图9图解说明，在对于每种颜色R(红)、G(绿)和B(蓝)具有相同的液晶盒间隙的情况下，由于相位差补偿膜的光程差作用使波长分散分布(如图9中所示的光程差)，由前右和前左以80°的角度所看到的液晶的光程差(如图9中LC所示)。在图9中，“法线”和“切线”代表垂直于平面的情况和在右和左侧视角为80°的情况。如用虚线所表示的，由于决定该相位差补偿膜的光程差特性的波长和决定该液晶光程差特性的波长(由另一条不是粗连续曲线的曲线表示)的不相匹配，对于右和左侧视角不可能避免有缺陷例如混色之类。
在常规的OCB模式的液晶显示器中，每种颜色的透射系数是不一致的。当液晶显示器颜色是单色时，易于将透射系数T设为1(100％)，这是一个理想的透射系数值。这是因为λ是一常数，因此，能够采用适合于λ的Δnd(或ΔR；如在表达式(5)中所示，两者都按等值关系用一常数代替)。然而，在R(红)、G(绿)和B(蓝)3种液晶显示器颜色的情况下，并不总是易于将透射系数T设为1。这是因为波长对于ΔR/λ的相关性是很大的，虽然，利用作为一个参数的ΔR/λ由表达式(1)所表示的函数得到了透射系数T。图6表示3ΔR和λ以及R(红)、G(绿)、B(蓝)的每一波长值下的总的趋势。如图6所示，由于ΔR与波长成反的相关关系，由ΔR除以λ(λ与波长成正的相关关系)得到的ΔR/λ与ΔR与波长关系相比较呈极为相反的相关关系。因此，如R(红)的ΔR/λ被置于作为一个最佳数值的0.5，则B(蓝)的ΔR/λ就达到一个极大值。
本发明的目的是防止在OCB模式的液晶显示器中如图7、8和9中所表示屏面的视觉特性劣化。为了实现上述目的，本发明的一个附属目的提供R(V1)的最佳数值。
此外，本发明提供一种OCB模式液晶显示器设计方法，用于在实现上述目的的同时，使每种颜色的透射系数为常数。
通过对于每种颜色R(红)、G(绿)、B(蓝)得到R(V1)的最佳数值，本发明防止了液晶对于B(蓝)波长的光旋转作用。如上所述，R(V1)是在利用相位补偿膜在较低侧驱动电压下(参阅图4)进行校正之前的光程差的绝对值。这种方式是基于本发明人的如下发现而采用的。图10表示一曲线图，其中Y轴表示在抽出相位差膜以后通过将椭圆主轴的角度除以2π所得的变量(下文称为θ)，X轴表示视角(当角度是相对X轴限定时)。如这一曲线图所示，由于对于B(蓝)波长产生的光旋转远大于对于R(红)和G(绿)波长产生的光旋转，可观察到屏面视觉的劣化。光旋转表示入射光的椭圆偏振的主轴角度和出射光的椭圆偏振主轴角度之间的差，在图10中用符号Δθ来表示。例如在视角为40°的情况下，对于R(红)的光旋转ΔθR很小，但是对于B(蓝)的光旋转ΔθB时很大。本发明人需说明，每种颜色的光旋转的波动引起屏面的倒转和混色。因此，可以预料降低每种颜色光旋转的波动即使ΔθR接近ΔθB，会提高屏面显示的质量。
本发明人已经发现，通过使R(V1)/λ的数值实现最优化，可以防止液晶产生对于B(蓝)波长的光旋转。本发明将这一发现应用于液晶显示器的设计。本发明人的发明在于，由于对B(蓝)波长使R(V1)/λ≤0.85，可以防止对于B(蓝)波长的光旋转。虽然这种理论的细节还不十分清楚，但估计，上述现象是由于这样的事实所引起的，即在3种用于彩色液晶显示器的颜色的光之中仅B(蓝)波长与R(红)和G(绿)波长隔得较远。这是因为，预计线性光学器件的光学性能决定于光的波长λ和空间距离(在这种情况下为液晶盒间隙)的比，因此，对于与其它波长特别隔开的B(蓝)波长会产生独特的现象。
表1表示了一个实例，其中按照对于B(蓝)波长使R(V1)/λ＜0.85的条件，通过限制对于B(蓝)波长的光旋转，解决了屏面视觉劣化的问题。在这个实例中，R(红)波长为610毫微米，G(绿)波长为550毫微米，B(蓝)波长为430毫微米。
                                            表1
              R(V1)/λ 光旋转波动 顶侧和底侧视角特性
  R   G   B
实施例1   0.32   0.37  0.56     无 无倒转现象
实施例2   0.26   0.30  0.42     无 无倒转现象
实施例3   0.29   0.33  0.47     无 无倒转现象
实施例4   0.51   0.59  0.82     无 无倒转现象
实施例5   0.38   0.44  0.68     无 无倒转现象
实施例6   0.55   0.64  0.88     无 无倒转现象
比较实例1   0.58   0.67  0.93     有 有倒转现象
比较实例2   0.62   0.70  1.02     有 有倒转现象
比较实例3   0.22   0.27  0.39     有 有倒转现象
对于B(蓝)波长，最好将R(V1)/λ设为0.8或更小。R(V1)/λ的上限近于0.85。当增加R(V1)/λ的数值时，产生光旋转的问题(比较实例1和2)。当降低对于B(蓝)波长的R(V1)/λ时(例如小于0.4)，没有产生光旋转，但是对比度下降，得不到足够的透射系数。因此，产生的问题是显示器的通用效率下降。因此，预计可以实现本发明的R(V1)/λ的范围处在0.4到0.85之间(包括这两个值)。
如在表达式(9)中所示，在一定透射率T下，如下表达式(10)是成立的。
                    Δnd＝Kλ         …(10)(在这种情况下，K代表通过变换表达式(9)得到的一个常数)。然而，对于每种颜色，液晶折射系数Δn不是常数。在正常液晶的情况下，折射系数Δn与波长λ相关并显示反的相关关系，即随波长降低，折射系数增加。因此，如果在这些物理量值之间有上述Δnd＝Kλ(K是一个光学常数)的关系，就难于将对于某一波长λ1(例如B(蓝)波长)通过使透射系数最优化得到的K1直接应用到其它波长λ2(例如R(红)波长)。这是因为Δn呈反的相关关系，通过对于K对表达式(10)进行变换，由在B(蓝)波长λ1下的K1＝(Δn1)d/λ1和在R(红)波长λ2下的K2＝(Δn2)d/λ2，得出K1＜＜K2的关系式。
因此，本发明的第二实施例将上述K保持为常数，或例如通过将液晶盒间隙d适应个别需要使K保持在一定范围内，该液晶盒间隙d可以设计和通过改变对每种波长的滤色片的厚度来调节。因此，通过将透射率T保持恒定或对每种颜色保持在一定范围内可以实现液晶盒的最优化。在下述第二实施例的情况下，为了对透射系数的降低进行补偿，使每种颜色的液晶盒间隙d最优化。
图6表示与Δnd有等值关系的ΔR/λ的波长相关性。在如下的讨论中，ΔR/λ作为一个参数介绍，因为其设计不是一个问题，但物理量值是一个问题。随着波长增加，ΔR/λ数值趋于很快地降低。这是因为作为分母的波长增加了，虽然ΔR对于波长有反的相关关系。
液晶盒间隙d与ΔR成简单的线性关系。因此，当假设在某一液晶盒间隙d0下ΔR＝ΔR0，则在一可选的液晶盒间隙d下，ΔR＝(d/d0)ΔR0。
当在表达式(1)中将所需透射率设为T时，得到如下的表达式(11)。
             ΔR/λ＝(Sin-1(T0.5))/π    …(11)通过将上述关系代入表达式(11)中时，由如下表达式(12)得到液晶盒间隙d。
          d＝(Sin-1(T0.5)/π)(λ/ΔR0)d0     …(12)
表2表示由上述关系式得到的颜色R(红)、G(绿)和B(蓝)的具体的元件间隙dR、dG和dB。在表2中，d等于5微米，对于R(红)、G(绿)、B(蓝)ΔR/λ分别为0.32、0.37、0.50。
                              表2
  透射系数             液晶盒间隙(微米)
    ％     dR     dG     dB
实施例1 80 5.5 4.9 3.5
  实施例2     90     6.2     5.4     4.0
  实施例3     100     7.7     6.6     5.0
  实施例4     70-80     4.9     4.5     3.5
  实施例5     80-90     5.5     5.0     4.0
  实施例6     90-100     6.2     5.8     4.9
  实施例7     70-90     5.0     5.0     4.0
实施例1表示对于每一种波长将透射系数设为约80％的情况，实施例2表示对于每一种波长将透射系数设为约90％的情况，实施例3表示对每一种波长将透射系数设为100％时的情况。此外，如在实施例4到7中所示，可以对于每一种波长将透射系数保持在一定范围内，而没有规定为统一的数值。例如在实施例7的情况下，对B(蓝)波长、G(绿)波长、R(红)波长的透射系数分别设为90％，84％和71％。所有的实施例都满足R(V1)/λ≤0.85，在这样规定的条件下，对于B(蓝)波长不会产生光旋转。
表3表示根据表2中的每一实施例的ΔR/λ的数值。
                                表3
透射系数(％)                  ΔR/λ  显示特性
    R     G     B
  实施例1     80     0.35     0.36     0.35     好
  实施例2     90     0.40     0.40     0.40     好
  实施例3     100     0.50     0.50     0.50     好
  实施例4     70-80     0.31     0.33     0.35     好
  实施例5     80-90     0.35     0.37     0.40     好
  实施例6     90-100     0.40     0.43     0.50     好
  实施例7     70-90     0.32     0.37     0.40     好
比较实例1     60-90     0.25     0.35     0.57     混色
比较实例2     50-80     0.20     0.30     0.50     混色
如表3所示，最好对于每一种波长使ΔR/λ保持在±5％之内。如果ΔR/λ没有保持在±5％之内，则会产生问题例如在左和右视角处可能产生混色现象，如图9中所示。
表4表示表1中的实施例1通过实际实验所得到的各种常数。
                                      表4
    R     G     B
  波长(微米)     0.61     0.55     0.41
  Δn     0.1594     0.1660     0.1922
  d(微米)     4.0     4.0     4.0
  R(V1)(微米)     0.2026     0.2106     0.2418
  R(V1)/λ     0.33     0.38     0.56
  ΔR/λ     0.26     0.30     0.4
  T(％)     53     65     90
图11和12表示在表4中的原型的计算结果。图11表示上视角和下视角处的特性，图12表示色度的变化。图11和12与用于解释背景技术的图7和图8相对应。如图11所示，几乎可以完全防止倒转现象。此外，如图12所示，视角与白色色度的相关性是很好的，因为在40°的视角下，X和Y方向的指标的波动范围约0.4。
表5表示表2中的实施例7实际实验所得到的各种常数。
                                       表5
    R     G     B
  波长(微米)     0.61     0.55     0.41
  Δn     0.1594     0.1660     0.1922
  d(微米)     5.0     5.0     4.0
  R(V1)(微米)     0.2533     0.2632     0.2418
  R(V1)/λ     0.42     0.48     0.56
  ΔR/λ     0.32     0.37     0.50
  T(％)     71     84     90
图13表示表5中的原型的右侧和左侧视角的相关性。图13对应于作为背景技术的图9。如在图13中所示，通过对每种颜色将ΔR/λ保持在一定的范围之内，可以使相位差补偿膜与液晶的光程差(retardation)相匹配。因此，能够防止对右侧和左侧视角产生混色。可以理解，这种效果是由于使间隙距离实现最优化得到的独特效果。
本发明将在1996年2月举行的IEICE(电子、信息和通讯工程师协会)上宣布。参照“OCB显示器器件的光学设计”在SHINGAKUGIHO，(音译)(H.Nakamura)。
本发明能防止在OCB模式的液晶显示器中在上侧和下侧视角下屏面视觉特性发生劣化例如倒转和混色现象。这是因为对于B波长得到了R(V1)/λ的最佳数值。此外，本发明使得在防止视觉特性劣化的同时，能够对于每种颜色将透射系数保持在一定范围之内。因此，在右侧和左侧视角下能够防止产生混色。所以，能够保持作为OCB的一个优点的宽视角，同时，改进了高的视角特性(本是OCB的缺点)以及提供了低功耗的LCD。
图1表示按照背景技术的OCB液晶盒结构；
图2表示在弯曲状态下产生光相位差的原理；
图3表示在弯曲状态下产生光相位差的原理；
图4表示液晶盒施加电压与光的相位差之间的关系；
图5表示液晶盒施加电压与光的相位差之间经校正的关系；
图6表示ΔR、ΔR/λ和λ之间的关系；
图7表示在背景技术中沿上和下视角方向的透射系数-视角特性；
图8表示在背景技术中的混色特性；
图9表示在背景技术中的沿右侧和左侧的视角方向的光程差-波长特性；
图10表示在背景技术中沿椭圆主轴的光旋转/2π-视角特性；
图11表示本发明中的亮度-视角特性；
图12表示本发明中的混色特性；
图13表示本发明中的沿右侧和左侧的视角方向的光程差-波长特性。

Claims (5)

1、一种利用OCB模式显示多种颜色的彩色液晶显示器，其特征在于，通过假设在所述各种颜色的光线的波长中间的最小波长为λ，最低驱动电压为V1，在一定电压下的光的相位差(光程差)为R(V)，满足表达式R(V1)/λ≤0.85。
2、根据权利要求1所述的彩色液晶显示器，其特征在于，满足表达式0.4≤R(V1)/λ。
3、根据权利要求1所述的彩色液晶显示器，其特征在于，满足表达式400毫微米＜λ＜500毫微米。
4、根据权利要求1所述的彩色液晶显示器，其特征在于，对于每种所述颜色调节液晶盒间隙，并使每种颜色的透射系数保持在±10％的范围内。
5、根据权利要求1所述的彩色液晶显示器，其特征在于，对于每种所述颜色调节所述液晶盒间隙，并使通过对于每种颜色的光程差之差除以波长λ得到的数值(4R/λ)保持在±0.05的范围内。
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