CN1193126A - 反射式铁电液晶显示器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的反射式铁电显示器,它可在无直流电压的情况下被激励,并具有为±22.5°的最大转换角α。根据本发明的液晶显示器的特点在于,在包着双折射液晶层的两个片层之间还布置上另一个双折射件。在根据本发明的显示器的第一类型中,这一附加的双折射件是一个光程差△n·d≈λ/4的透明片层,它沿着光入射方向被布置在液晶层之后,特别地位于所述层和反射镜之间。

Description

反射式铁电液晶显示器

本发明涉及一种具有铁电、手性近晶液晶层的反射式液晶显示器。

本发明还涉及一种投影系统及一种具有如上所述类型的液晶显示器的直视显示器。

根据本发明的显示器具有例如其螺旋构型在电场作用下可变形的双折射液晶层(下文也被称为S_c ^*层)。

EP-B-0309774公开了一种已知的基于螺旋液晶构型的变形的液晶显示器。例如，该文献公开的显示器也被称为DHF单元(DHF表示变形螺旋铁电体)，具有一对透明片，该对透明片共同包围着S_c ^*层，并且每个片具有使S_c ^*层的分子定向的表面结构，具有用于在液晶中产生电场的电极，以及具有偏振镜。

可用于DHF单元的液晶具有这样的特点：近晶层的、且彼此基本平行的分子并不垂直于近晶面，而是和近晶面的法线方向成一近晶倾斜角θ。S_c ^*层的手征性还导致从层到层，液晶分子的轴相对于彼此旋转，其结果是形成螺距p的螺钉状螺旋体。

在静止状态下，即，不施加电场，DHF单元表现出特定的透射率。如果向电极施加一电压，在S_c ^*层中产生一电场，并且使分子重新定向，从而导致各近晶层重新定向。于是电压的施加使S_c ^*层的螺旋体变形，从而导致光透射率的改变。

DHF显示器是基于具有短螺距p的液晶结构的。选择螺距p，使得光被平均分到螺旋体的各个线圈上，即，只受到一个均匀的折射率。对于一个无畸变的螺旋体，这样就得到一个光轴平行于螺旋体轴的双折射层。如果在所述两个片层的电极之间施加一个电压，特别是转距作用于各个近晶层上。这些转距产生已说明的螺旋体变形，并且因此使光轴在和包着液晶层的片层平行的平面内旋转。在实践中可借助于转换角α(U)来确定作为施加电压的函数的光轴的旋转。最大转换角α(U≥U_s)是DHF单元的一个特有的特性，并且与在饱和电压U＝|U_s|和U＝0之间光轴旋转的角度相对应。

大体上可用两种不同的方法制造DHF类型的反射式液晶显示器。

第一种较为简单的制造方法在于，在一个透射显示单元的一侧安装一个光学反射镜或一个漫反射镜，并包含一对透明片层，该对透明片层一起包着一个液晶层，并且每个片层具有一表面结构和一偏振镜。在这个反射单元的第一个例子的工作过程中，光两次通过透射显示单元。绝大多数钟表，袖珍式计算器等等中的液晶显示器都是基于这一原理。由于光通过一个偏振镜的次数共计四次，在这些显示器中大量的光要损失掉。此外，这种类型的反射式显示器在高分辨率情况下还表现出麻烦的视差效应。

反射式液晶显示器的第二种例子表示在图1中。在这种显示器中，入射光1被偏振镜2线偏振，通过液晶层3，随后被反射镜4反射，并再次通过液晶层3和前述的偏振镜2。这种情况下，在液晶层3和反射镜4之间另外提供电极和能够根据要求的图象信息修正液晶的双折射性能的激励装置。

图1所示的显示器的一个主要的缺点是，理想情况下，在所谓的对称模式下，显示器应具有±45°的转换角。但是利用目前已知的液晶混合物，在不导致滞后效应的情况下，不可能具有这样的转换角，该滞后效应即使在小的转换角下也要产生并使转换时间增大到不能许可的程度。此外，大的转换角度要求的电压大于小的转换角度的要求电压，这是这种类型的显示器的另一个缺点。

另一方面，如果上述类型的反射式DHF单元在所谓的不对称模式下工作，则借助于不对称激励，上述缺点至少可被部分地消除。但是这样的话，周期的极性反转不能引起电激励。这种工作方法具有一个直流电压成分，它导致在液晶中及在界面形成有害的空间电荷。实际上，这些空间电荷改变了电光特性，其结果是产生严重的图象缺陷及重影。

本发明的目的是提供一种反射式DHF显示器，该显示器在无直流电压的情况下可被激励，并且具有＜±45°的最大转换角度α。

根据本发明，这一目的由具有权利要求1的特征的液晶显示器来实现。

从从属权利要求中可明白本发明的有利的实施例。

本发明的使用并不严格地限制于DHF单元，也可涉及所有电光效应导致光轴旋转的液晶显示器。当在图1所示的显示器工作过程中，光轴的旋转很小时特别有利。瑞士专利申请No.3073/96中说明了另一类别的液晶单元，该液晶单元-类似于DHF单元-可被用于提供本发明类型的反射式显示器。这样的单元在下文被称作APD(APD表示Alternating PolarizationDomain)单元。其优点是低的工作电压和低的电流。和DHF单元一样，在根据本发明的实施例中，APD单元也具有＜±45°的最大转换角度α。

根据本发明的液晶显示器具有这样的特征，即前面参考图1说明的部件还具有另一个以附加的双折射层(或片层)或以第二个转换液晶层的形式出现的双折射件。

在根据本发明的液晶显示器的第一类型中，该附加双折射件是一光程差Δn·d ≈λ/4的稳定的即不可转换的片层5(其中Δn代表双折射率，d为片层5的壁厚)，即，如图2所示，沿光的入射方向在液晶层3后布置一个四分之一波长片层，并且特别地布置在所述液晶层和反射镜4之间。由于在显示器的工作过程中，光两次通过片层5，所述片层的光程差共计λ/2，由此，片层5在模型上也可被叫作半波长片层或半波长层。

在根据本发明的液晶显示器的第二类型中，附加的双折射件是一个第二转换液晶层，它以补偿器105的形式被布置在偏振镜102和给定的液晶层103之间，下文将详细说明。图3表示了第二类显示器的相应的构造，从该图中可清楚，这种情况下，入射光101首先被偏振镜102线偏振，随后通过补偿器105和液晶层103，被反射镜104反射，随后再次通过液晶层103，补偿器105和上述的偏振镜102。

本发明的最佳实施例参考如下附图将在下文详细说明。

图1是反射式液晶显示器的示意图。

图2和图3分别表示根据本发明的第一和第二种类型的液晶显示器，

图4是传统的DHF单元的示意图，

图5表示了用于说明根据本发明的第一类型的显示器的光学模型(等效线路图)，

图6是根据本发明的显示器的第一实施例的示意图，

图7是根据本发明的显示器的第二实施例的示意图，

图7a是根据本发明的显示器的第三实施例的示意图，

图8表示了用于说明根据本发明的第二类型的显示器的光学模型，

图9表示的是图2和3中所示的偏振镜的替换实施例，

图10表示的是图5中所示的单元布置的定向及双折射性能，

图11表示的是图8中所示的单元布置的定向及双折射性能，

图12表示根据本发明的显示器和简单的透射单元的光透射率的比较。

如图4所示，传统的透光DHF单元201具有一层厚度为d的S_c ^*层202，该层被布置在两彼此平行的透明材料片层203和204之间。用于平行片层203和204的合适的透明材料是，例如，玻璃，丙烯酸玻璃或塑料薄膜。

偏振镜205位于上片层203的的外面，并且最好和片层203相连，例如和所述片层粘接在一起。相应地，用类似的方法将偏振镜206分配给下片层204，所示实施例中，当光从上面入射并穿过单元时，所述偏振镜起检偏镜的作用。在反射式单元构型中，不需要第二个偏振镜206。如果光从下方入射，则不需要第一个偏振镜205。代替省略掉的偏振镜，则单元201具有一个光反射镜或漫反射镜。

液晶层202还由两个透明电极207，208定界，透明电极207，208形成常见的，准备用作显示字符或图象点的分段电极，在此图解说明的部分仅显示了单个分段电极的部件，该单个分段电极被分成为红色，绿色和蓝色三个象素以显示一个图象点。这样，电极207的上部被分成为三个亚电极207a，207b，207c，在电极208的反向部分具有和各个亚电极207a，207b，207c配合的滤色片209，210，211，所述电极208也可选择为分段的。各个也被称为象素电极的亚电极207a，207b，207c还具有电子元件212，213及214，例如象薄膜晶体管或类似物之类的电子元件。后者和激励电子器件一起形成一个活性阵列，所述激励电子器件在图中未表示出，借助于它可彼此独立地激励各个亚电极207a，207b，207c。

此外对玻璃片层203及204的面对S_c ^*层的表面进行处理，使得所述表面对邻近的液晶分子有定向效应，从而对整个液晶层有定向效应，从而确定定向器的方向。这种处理的要点在于，例如，涂覆一聚合物层，并沿一方向磨擦所述表面。其它可能的涂层是光学定向的定向层或应用用斜入射真空淀积法得到的定向层。这样的涂层示于图4中，并用215及216指示。

在根据本发明的第一类显示器中，附加的双折射部件，如前所述，由布置于液晶和光反射镜或漫反射镜间的稳定的即不可转换的1/4波长片组成。

根据本发明，对于图2中示意表示出的，但是基本上按照图4的上述实施例构成作为DHF单元的，并准备安装于例如直视显示器中的液晶显示器，选择光程差为Δn·d ≈λ/2的液晶层3，λ为平均理想波长，例如约为500nm。因而该液晶层在下文也被称为半波层。如同开始已说明的一样，对于不可转换的双折射片层5选择Δn·d ≈λ/4。

对于本发明的第一类显示器，参考图5和图10可说明反射式液晶单元和附加的双折射层的组合体的作用模式。

在此，假定反射镜是理想的，即意味着所述反射镜在模型上可由两个分别对应于液晶层3和四分之一波长片层5的双折射层3a和5a，及一个偏振镜2a来代替。于是在该模型中，光线1无反射地通过4个双折射层或片层3，5，5a及3a。

由于双折射片层5和5a是串联的，它们的光程差共计为≈λ/2。用模型来表示，图5的反射式显示器由两个平行的偏振镜之间的三个半波片层或半波层(3；5/5a；3a)来描述，第一和最后的片层3和3a是相同的，分别具有平行的光轴，并且能够电光旋转。

可很容易地说明半波长片层对线偏振光的影响。线偏振方向在光轴上反射。于是容易理解关于光通过前述三个半波长片层的偏振情况。结果示于图10中。显示器(列III和VII)以这样的方式定向，使得对于电压0(第一行)，其光轴平行于偏振镜2定向。双折射片5(列V)的光轴垂直于偏振镜2。由于偏振通常平行或垂直于光轴，因而偏振不发生改变，光未衰减地通过偏振镜2a。如果对显示器施加一电压，光轴旋转。如果旋转角度为22.5°(行2)，列III和VII的轴从112.5°旋转到90°。在图5中的点7，由偏振镜2确定偏振(＝0°)。当光通过层3之后，它被旋转2·112.5°＝225°(列IV，点8)，由于旋转180°对显示器没有影响，因此旋转225°等同于旋转45°。光一通过半波片层5/5a(列V)后，偏振光就被旋转到135°(点9，列VI)，并且一通过层3a(列VII)后，偏振光就被旋转回到90°(点10，列VIII)。该偏振光最后由偏振镜2a阻断，即旋转光轴22.5°的电压从亮转换为暗。从图10的行3中可清楚，旋转-22.5°也是同样的情况。这样，从亮转换为暗所必需的最大转换角仅为±22.5°。

这样就达到了开始提及的最大转换角α＜±45°的目标。

本发明的第一类显示器还有一个优点。目前情况下，转换液晶单元是一λ/2层。其它的反射式显示器使用的是转换λ/4层，即单元间距为现今情况下一半的液晶层。于是，小的电极间距使得铁电显示器的制造非常困难，特别是存在短路危险，必须保持极端的净室条件及制造相应单元中层厚d的容许偏差小。于是在两倍的单元间距d的情况下制造反射式显示器的可能性，就成为使铁电显示器商业化的非常重要的一步。

下面参考图6和7给出有关上述第一类显示器的形成的进一步的详细情况。

图6表示了这样的显示器的第一种可能的实施形式。在基体20上给出活性阵列部件21，该活性阵列部件21具有所有必需的电源线及逐个象素绝缘的反射电极22。根据图4的实施例，基体可以是玻璃片层或一塑料薄膜。基体也可是一硅晶体，将活性阵列部件2 1(例如，象晶体管或类似物之类)和相应的激励电子器件(“硅底板”)一起外延附生地(epitactically)施加在该硅晶体上。在反射电极22上覆盖一双折射四分之一波长层23，所述反射电极22可选择地提供自由气相淀积得到的铝。所述双折射四分之一波长层23可形成自一定向塑料薄膜或一玻璃态液晶层或形成自彼此交联的液晶分子。

为制造交联的液晶层，可采用旋转涂覆在基体20上涂覆一定向层，该层在图中未表示出，这样可确定将彼此交联的液晶分子的最佳方向。为了避免损害高灵敏的活性阵列部件，建议采用所谓的LPP法(说明于M.Schadt，K.Schmitt，V.Kozinkov和V.Chigrinov，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.31，2155，1992)来定向液晶层，该方法不会导致危险性的磨擦而完成定向。随后采用旋转涂覆将可交联的液晶混合物涂覆于该定向层上，并使所述混合物交联(例如，光致交联的)(说明于M.Schadt，H.Seiberle，A.Schuster和S.M.Kelly，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.34，3240-3249，1995)。通过正确地选择该层的厚度，就可确立这样制得的四分之一波长层23的所要求的光学螺距差。

四分之一波长层23之后是带有相关铁电液晶层25的第一定向层24。最后，根据图4的实施例，第二定向层24与透明电极27和面对入射光的盖板26相配合。同样对于定向层24，LPP层优于磨擦层。液晶层25的精确厚度由图中未示出的隔离物来保证。

在图6的实施例中，液晶层25和四分之一波长层23的电容是电串联的。特别在具有自发偏振的铁电混合物情况下，这样导致液晶上的电压大大降低。正是由于这样原因，自发偏振小的APD显示单元特别适合于这一应用。

图7中的实施例消除了液晶上电压降低的缺点。在该第二实施例中，片层20和26及活性阵列部件21均按照图6中所示的例子中的相同的方法形成。现在，光反射层不再需要象前面说明的一样，由反射电极形成。它可由介质镜来实现。这种情况下，相应的电极作为透明电极29被施加到形成自，例如交联的液晶分子，的四分之一波长层23上，并通过适当的小孔和活性阵列部件连接。这些小孔可以，例如在四分之一波长层23的交联过程中，通过照相平版法，由用于这一目的的适当的多孔膜片产生。在图7的实施例中，激励电子器件的满电压加在液晶上。

如果使用导电(例如，金属)反射镜，则它可相对于反电极(即，不和活性阵列部件接触的电极)被连接到一个确定的电压上，从而和活性阵列-激励的电极一起形成一个电容器。这样的电容器允许采用较低的电压，并使显示器变得对离子杂质较为不敏感。

图7a中叙述了本发明的第一类显示器的第三个实施例。在本实施例中，活性阵列激励的电极和反电极的作用互换。活性阵列55置于透明基体54上，并激励透明电极56。同样反电极57也是透明的。这样满电压被施加到液晶层58上(忽略定向层53上的电压降)。活性阵列激励电极56的反电极被置于双折射片层52上，该片层52安装在反射镜51上，反射镜51安装在基体50上。该第三实施例避免了第一实施例的双折射片层上的电压降，也避免了第二实施例的通过双折射片层接触电极的额外的复杂化。

在根据本发明的第二类显示器中(图3)，附加的双折射部件是一个第二转换液晶层，该转换液晶层以补偿器105的形式被布置在偏振镜102和规定的液晶103之间。

施加于液晶显示器光入射侧的补偿器作为例如DHF单元被形成。这样，和图4所示的DHF单元相比，它没有附加的偏振镜。当然，补偿器105也可由另一类型的液晶单元形成。但是，该液晶单元必须具有有利于本发明的目的的物理性能，例如短的转换时间。

另外，实质上作为独立的液晶单元形成的补偿器105可能只有单一的，非结构电极对，即，该单元对所有的象素(或象素的一个子集，例如一行)同时转换。这意味着补偿器105仅在两种状态之间转换，即，在光轴的两种定向之间转换。于是工作中，一种定向的图象被下一个另一种定向的图象以同步方式替换。在无直流电压成分的情况下，通常借助于方波电压可实现这种转换处理，直流电压成分是所有液晶显示器的一个先决条件。为了使图3中的图象形成液晶层103在没有直流电压的情况下也能够被激励，在补偿器105和液晶层103的极性反转时，反射不必改变，但必须能够通过电压的选择，在单元103的各个象素上从0变到1。这是可能的，对于亮和暗的状态，在下文描述的图11中示意地表示出来了这一点。

这种情况下，补偿器105是一半波长片层。相对于此，液晶层103的光程差为Δn·d ≈λ/4。由于反射镜或漫反射镜，液晶层103在模型上可被看作为一个半波长层，参见图8。

当液晶层103在最大电压，并且电压符号和补偿器电压符号相同的情况下转换时，显示器是明亮的(图11的行1和行2)，当在最大电压，而电压符号和补偿器电压符号相反的情况下转换时，显示器是暗的(图11的行3和行4)。对于转换电压小于U_max，则产生灰度值。从图11中可看出，液晶层103的转换角从0°变到45°，或在±22.5°之间变化，即通过本发明的这一实施例实现了减小转换角的初始目的。

对于图3，8和11中的这种两单元显示器，图象信息不是逐行地施加给液晶103，因为该图象的其它部分可能到达不正确的补偿器位置；而是为了补偿器105的极性反转，所述信息必须被一次，并同步地施加。借助于前述的“硅底板”，这一驱动是容易实现的。借助于高度集成的电路，图象信息被暂时存贮在芯片中，并且随后被并行或同时施加给所有的象素。由于大的硅芯片很贵，本实施例特别适于放大倍数大的投影显示器。

对于显示面积大的显示器，补偿器105也可被逐行地构成，并且用图象信息的逐行记录同步激励，类似于瑞士专利申请No.3143/95中公开的透光两层DHF显示器。这样就省去了对“硅底板”的需要。

最后，图9表示了偏振镜2或202的替换设计，该设计特别适合于反射投影系统或投影设备。图9中，它结合了图2所示的显示器，但是它也适合于图3所示的显示器。这种情况下，偏振镜是一偏振光束分配器301。这里，入射光302的线偏振部分由光束分配器301反射到显示器上。在由反射镜304反射后，光第二次通过半波长片层305及所述半波长片层305上面的液晶层303。随后当光再一次通过光束分配器301时，光的偏振状态被分析。再一次，只有线偏振光，这种情况下是光束306，被透射。随后，透射的线偏振光借助于光学投影系统可被投影到屏幕上。以这种方式透射的光成分的偏振状态和光束分配器301第一次反射的光束相反，即，偏振光束分配器301具有如同两个交叉的偏振镜的作用。于是，“0”和“1”，即，亮和暗，必须在图10和11的列IV中被交换。这样，图9说明了一种投影系统，该系统在无电压状态下是暗的，并且在正或负电压情况下，变得越来越亮，直至光轴的旋转角度为±22.5°。如果光束分配器301的偏振程度不够，采用附加的偏振镜薄膜可改善对比度。

在图12中给出了根据本发明的显示器和简单的透射单元的光透射率的比较。该图中显示了和两个交叉的偏振镜成45°，并在要求的波长为500nm下，构成前述类型的半波长片层的简单显示器的计算得到的透射率谱线。计算是根据Jones矩阵算法，即，忽略反射，干涉和吸收。该图还显示了根据图9的反射显示器的光状态的计算得到的谱线，在图9的情况下，假定反射镜是理想的。现在，这样两条曲线的比较清楚地表示出根据本发明的结构的光透射率，在蓝光和红光波长范围内，大于简单的透射结构的光透射率。通过优化两个偏振镜之间的角度(在图2，3，6和7的情况下)或可选择地优化两个液晶层之间的角度(在图3的两单元显示器的情况下)(关于这方面，参见：S.Panchcharatnam，Proc.Indian Acad.Sci.，A41，137，1955)。但是，反过来，这将影响电压反转的对称性，可能会造成闪烁。

要求的波长小于500nm使透射率的最大值向较短的波长方向移动。这样红色成分被轻微减少，于是按照图2的四分之一波长片层5的厚度也被减少。由于其结果是四分之一波长片层(或补偿器层)上的电压降减小，因而这是有利的。

作为对上面提到的对“白色”的显示器的优选法的替代方法，为了产生不同的干涉颜色，在图2，6和7中所示实施例中的四分之一波长片层或四分之一波长层5或23又可被形成为双折射象素逐一不同的片层。在M.Schadt，H.Seiberle，A.Schuster和S.M.Kelly的文献“Photo-Induced Alignment and Patterning…，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.34，L764-767，1995”和“Photo-Generation of LinearlyPolymerized Liquid Crystal…，Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.34，3240-3249，1995”中公开了制造这样的片层的恰当的处理方法。

Claims (16)

1.一种反射式铁电液晶显示器，它具有一个手性近晶、双折射液晶层，该层的光轴在显示器平面内可被电光旋转，一个偏振镜及一对平行片层，该对平行片层包着所述液晶层，并且每个片层具有使所述液晶层的分子定向的表面结构及至少一个用于形成电场的电极，一个和所述片层之一配合的光反射镜或漫反射镜，其中在所述两个片层之间布置另一个双折射层或另一个双折射片层或膜层，其中液晶层的光轴的旋转角度不大于±22.5°，并且其中显示器以这样的方式形成，使得在无直流电压的情况下，显示器可以表示出所有的灰度值。

2.如权利要求1所述的液晶显示器，所述电极以象素电极的形式被形成，其中本身又属于一个活性阵列电路的电子器件和所述象素电极相配合。

3.如权利要求2所述的液晶显示器，其中所述电子器件被外延附生地(epitactically)地施加到所述两个片层的至少一个上。

4.如权利要求1到3的任一所述的液晶显示器，其中所述双折射层或双折射层片层或膜层被布置在所述液晶层和所述光反射镜之间。

5.如权利要求4所述的液晶显示器，其中所述反射镜或漫反射镜也充当所述片层之一具有的一个或多个电极。

6.如权利要求4所述的液晶显示器，其中接近反射镜的所述片层具有的一个或多个电极是透明的，并且位于所述液晶层和所述另一个双折射片层或膜层之间，并且其中所述反射镜位于所述另一个双折射片层或膜层和所述片层之间。

7.如权利要求6所述的液晶显示器，其中通过双折射片层或膜层，为每个象素接触所述的一个或多个透明电极。

8.如权利要求6所述的液晶显示器，其中反射镜是金属的，并且相对于在液晶层相对侧的一个或多个电极在一确定的电压下。

9.如权利要求6所述的液晶显示器，其中电极是以和活性阵列电路相配合的象素电极的形式形成的，并且其中所述活性阵列在和包括反射镜的片层相对的片层上。

10.如权利要求4所述的液晶显示器，其中所述双折射层由交联的液晶分子或玻璃状的液晶构成。

11.如权利要求4或5所述的液晶显示器，它具有可被逐个象素地激励的电极对，其中所述双折射层具有逐个象素相异的双折射率，以便产生干涉颜色。

12.如权利要求1到3的任一所述的液晶显示器，其中所述第二双折射层是一电光转换液晶结构，并被布置在所述偏振镜和第一次说到的液晶层之间。

13.如权利要求1到12的任一所述的液晶显示器，它具有一个DHF或一个APD构造。

14.一种含有如权利要求1到13的任一所述的液晶显示器的直视显示设备。

15.一种含有如权利要求1到13的任一所述的液晶显示器的投影设备。

16.如权利要求15所述的投影设备，其中所述偏振镜是一个偏振光束分配器。

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