TWI421599B - 反射式液晶顯示裝置及反射式液晶投影機 - Google Patents

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Description

反射式液晶顯示裝置及反射式液晶投影機
本發明關於一種反射式液晶顯示裝置及一種反射式液晶投影機，尤指具有垂直配向向列(VAN, "Vertically alignment nematic")液晶的反射式液晶顯示裝置及反射式液晶投影機。
在多種電子硬體中可發現到液晶顯示裝置(以下簡稱LCD)，例如計算機的顯示器、電子字典、電視及數位相機，汽車導航系統的螢幕，行動電話與電腦，及投影機的顯示面板。
根據液晶層的操作模式，LCD可分類成數種形式，例如TN(扭轉向列,"Twisted nematic")LCD、VAN(垂直配向向列,"Vertical Alignment Nematic")LCD、IPS(平面中切換,"In-Plane Switching")LCD及OCB(光學補償彎曲,"Optically Compensatory Bend")LCD。基於電子硬體的目的及所需要的功能，即選擇這些操作模式之一。
例如VAN-LCD包含一對基板之間的向列液晶分子，每一基板在其內部表面上具有垂直配向膜，且這些液晶分子在當對液晶層未施加電壓時大致垂直於該基板來配向(以下稱之為無電壓(voltage-off)狀態)。當以直接偏光的方式提供一對偏光板橫跨VAN-LCD，且VAN-LCD由無電壓狀態下的前方觀視，黑色係以相當高的對比來顯示。
由於此特徵，需要利用高對比顯示放大影像之液晶投影 機利用VAN-LCD。但是，當由前方觀視時其提供良好對比度時，類似於其它的操作模式，當由斜向角度觀視時，VAN-LCD無法保持良好的顯示效能，並造成降低該對比度，或造成色調逆轉而反轉中性顏色的亮度。這些缺點部份由於在該液晶層上斜向的入射光線。然後此斜向入射光線由液晶層的雙折射轉換成橢圓極化光線，並通過檢偏器。
因此本發明提出使用具有垂直於該表面之光軸的遲滯補償元件，該元件稱之為C板，藉以補償斜向通過液晶層的光線之相位差(例如請參見日本專利早期公開公報編號2004-145268)。
如果使用微電極結構將液晶層驅動成密集配置的像素陣列，當施加電壓於鄰接無電壓像素的像素時，所產生的橫向電場產生反轉傾斜領域，其中無電壓像素之液晶分子相反於所要的方向來配向，並造成液晶分子的不良配向。為了防止不良配向及穩定LCD的運作，液晶分子必須以預定角度預先地傾斜(以下稱之為預傾)。理想上，對於VAN-LCD，在無電壓狀態下的液晶分子需要與該基板的垂直方向以3到10度的角度預傾。
但是，在如此建構的VAN-LCD中，由於液晶分子的預傾造成的雙折射使得光線垂直通過液晶層而具有相位差，並降低VAN-LCD的對比度。
因此本發明提出使用具有平行於該表面之光軸的遲滯補償元件，該元件稱之為A板，配合C板，藉以防止由於預傾造成的對比度劣化(請參見例如Claire Gu及Pochi Yeh 所撰"Extended Jones matrix method II")，見於Journal of Optical Society of America A，卷10，第5期，1993年5月，第966-973頁)。
其亦建議疊層兩個以上的遲滯補償元件，其光軸斜向於該表面，該元件稱之為O板，藉以在任何灰階之下延伸TN-LCD的視角。更特定而言，TN-LCD之對比度可由組合C板或A板，以及配置有彼此垂直的快軸之一對O板來改善(請參見例如美國專利編號5,638,197)。
當單獨使用時，C板能夠補償斜向入射在該液晶裝置上光線的相位差。但是，C板不能夠補償由於液晶分子之預傾造成的雙折射造成的相位差。
當C板及A板一起使用時，另一方面，在材料中不僅只有少數選擇，但實際上並無材料可提供高度的耐久性及量產性。例如，當A板一般由單軸拉伸聚合物膜或由微製造技術製成的雙折射遲滯板構成，聚合物膜並不是非常堅固，且雙折射遲滯板並不適合大量生產。
再者，當兩個O板將其快軸彼此垂直地疊層，此O板配對與該表面之法線方向上移動的光線為等向，且幾乎無法補償垂直通過VAN-LCD之光線的相位差。換言之，這些O板不能夠補償由於液晶分子的預傾造成的相位差。
特別是在美國專利編號5,638,197中，其僅揭示來在TN-LCD中使用雙軸O板，並無教示如何安裝O板，例如雙軸O板的角度。因此，此專利文件的揭示可能不容易應用到VAN-LCD。
依前所述，本發明一主要目的為提供一種反射式VAN-LCD(反射式液晶顯示裝置)，其能夠藉由補償由於液晶分子的預傾造成的相位差而改善對比度及視角，以及在液晶層上斜向入射光線的相位差。
本發明另一目的係提供一種具有此VAN-LCD的反射式液晶投影機。
為了達到上述及其它目的，根據本發明之一種反射式液晶顯示裝置包括由斜向沉積無機材料所製成的雙軸雙折射介質。此雙軸雙折射介質具有傾斜於VAN液晶晶胞表面之光軸，且亦具有快軸，其重合於該無機材料的沉積方向在該表面之上的正交投射。此VAN液晶晶胞具有液晶層，其中當未施加電壓到液晶層時液晶分子被配向成大致垂直於晶胞基板，且該雙軸雙折射介質補償由於傾斜於該晶胞表面的液晶分子造成的相位差。
亦較佳地是提供一種具有單軸雙折射介質之反射式液晶顯示裝置，其具有垂直於VAN液晶晶胞的表面之光軸。此單軸雙折射介質組合於該雙軸雙折射介質，並補償斜向通過該液晶層之光線的相位差，及通過該雙軸雙折射介質之光線的相位差。
該單軸雙折射介質為高折射係數及低折射係數無機層的交替堆疊。
較佳地是配置該雙軸雙折射介質，使得該雙軸雙折射介質之快軸及液晶分子之傾斜方向彼此重合。另外較佳地是 配置該雙軸雙折射介質使得該快軸相反於該傾斜方向。
根據本發明反射式液晶投影機投射在上述反射式液晶顯示裝置中所形成的影像到螢幕上。
根據本發明，該雙軸雙折射介質補償在VAN-LCD中液晶分子之預傾造成的相位差以及在該液晶層上入射光線的相位差。因此，VAN-LCD中之該對比度及視角即可改善。此外，該反射式液晶投影機在當裝設有此反射式液晶顯示裝置時改善對比度。
請參照第1圖，根據本發明投影機10包括投影鏡片16、投影機驅動器17及顯示光學系統18。
投影機10亦具有縮放旋鈕21、調焦旋鈕22及在外殼19的上表面之上光量調整旋鈕23。在外殼19的後表面上，提供一個或多個連接終端(未示出)來連接到電腦及其它外部裝置。
投影鏡片16放大來自顯示光學系統18之投影光線，並將其投射到螢幕24上(請參見第2圖)。投影鏡片16例如由縮放鏡片、聚焦鏡片及孔徑光欄構成。縮放鏡片及聚焦鏡片可沿著投射光線的軸L1(投射光線軸)移動。依照縮放旋鈕21的操作，縮放鏡片移動來調整投射影像的放大率。依照聚焦旋鈕22的操作或縮放鏡片的移動，聚焦鏡片可移動來調整投射影像的焦點。該孔徑光欄回應於光量調整旋鈕23之操作而改變孔徑的大小，以調整投射影像的亮度。
投影機驅動器17控制投影機10的每個組件。例如，投 影機驅動器17接收來自連接到投影機10之電腦的影像資料，並顯示該影像在下述的液晶顯示裝置上。
此外，投影機驅動器17包括馬達來移動投影鏡片16，並分別根據縮放旋鈕21、聚焦旋鈕22及光量調整旋鈕23的操作驅動這些馬達。
顯示光學系統18區分來自光源的光線成為紅、綠及藍光，並藉由投射紅、綠及藍光到相對應液晶顯示裝置51、52及53上而產生每個顏色的資訊光線(參見第2圖)，其每一個顯示紅、綠或藍色的影像。然後，顯示光學系統18合成該資訊光線成為投影光線，並將其經由投影鏡片16投射到螢幕24上。
如第2圖所示，顯示光學系統18包括光源31及資訊光線產生區段32，以由光源31放射的光線產生資訊光線。
光源31包括燈33、反射鏡34、防紫外線濾光器36、積分器37、極化單元38、傳遞鏡片41及準直鏡片42。燈33為高強度光源，例如氙氣燈，其放射自然白光，而沒有特定極化方向。自燈33放射的白光通過防紫外線濾光器36，並進入積分器37。
防紫外線濾光器36消除白光中的紫外光成分，所以來自燈33的白光不會變色，或劣化由高分子量有機聚合物或類似者製成的濾光器(未示出)。
例如反射鏡34為橢圓鏡，而燈33位在橢圓表面之焦點附近。反射鏡34的其它焦點位在靠近積分器37的一端。藉此，來自燈33的白光有效率地導引到積分器37。
積分器37例如可由玻璃棒及附加於該玻璃棒的微鏡片陣列構成，其收集自燈33放出的白光，並經由傳遞鏡片41將其導向到準直鏡片42。入射到積分器37上的光量在當光線偏離光源的光軸(光源光軸)L2時即降低，並會環繞光源光軸L2不均勻地分佈。積分器37在環繞光源光軸L2的預定區域內改變此不均勻的光線分佈成為均勻分佈。因此，投影影像的亮度大致均勻地橫跨螢幕24。
準直鏡片42將來自積分器37的光線與光源光軸L2平行。極化單元38在來自準直鏡片42的光線當中傳遞垂直極化光線成分到此圖面的紙表面(以下稱為S極化光線成分)，而轉換水平極化光線成分到此圖面的紙表面(以下稱為P極化光線成分)成為S極化光線成分。然後將S極化光線成分的光束導向到資訊光線產生區段32的二色性鏡46。
資訊光線產生區段32包括二色性鏡46、47，極化分光器48、49、50，液晶顯示裝置51、52、53(反射式液晶顯示裝置)，遲滯補償元件56、57、58及二色性稜鏡61。
二色性鏡46被配置形成在法線與光源光軸L2之間有45度角。二色性鏡46僅傳遞來自光源31中S極化白光的紅光到反射鏡43。反射鏡43反射已經通過二色性鏡46之紅光到極化分光器48。此外，二色性鏡46傳遞S極化白光中的綠光及藍光到二色性鏡47。
二色性鏡47被配置形成在該表面的法線與入射光線的光軸之間有45度角。二色性鏡47反射來自二色性鏡46的S極化光線中的綠光到極化分光器49，而傳遞藍光到極化 分光器50。
極化分光器48為立方形，其由兩個三角稜鏡構成，且其斜面彼此附著。在兩個稜鏡之間，放置極化分光膜64。極化分光膜64以45度反射入射光線的S極化光線成分，而傳遞P極化光線成分。
利用此結構，極化分光器48藉由反射鏡43反射來自二色性鏡46的S極化紅光，並導引該光線到液晶顯示裝置51。該光線現在改變成S極化紅色資訊光線，由液晶顯示裝置51重新進入極化分光器48，並反射離開極化分光膜64。另一方面，來自液晶顯示裝置51的P極化紅色資訊光線通過極化分光膜64，並進入二色性稜鏡61。
極化分光器49具有與極化分光器48相同的結構，並包括極化分光膜65。來自二色性鏡47的S極化綠光由極化分光膜65反射，並導引到液晶顯示裝置52。自液晶顯示裝置52重新進入的S極化綠色資訊光線由極化分光膜65反射。另一方面，P極化綠色資訊光線通過極化分光膜65，並進入二色性稜鏡61。
極化分光器50亦具有與極化分光器48相同的結構，並包括極化分光膜66。來自二色性鏡47的S極化藍光由極化分光膜66反射，並導引到液晶顯示裝置53。自液晶顯示裝置53重新進入的S極化藍色資訊光線由極化分光膜66反射。另一方面，P極化藍色資訊光線通過極化分光膜66，並進入二色性稜鏡61。
液晶顯示裝置51為反射式VAN-LCD。意即，液晶顯示 裝置51具有液晶層，其中液晶分子在電壓關閉狀態下垂直於該表面配向。在液晶顯示裝置51中，橫跨液晶層的電壓以逐個像素為基礎來調整，以改變液晶分子的配列。根據液晶分子的配列，通過該等像素的光線之P極化的功能受到控制，並顯示影像。
液晶顯示裝置51由投影機驅動器17所驅動，顯示由電腦或類似者所擷取的投影影像資料的紅色成分之灰階影像。當反射離開液晶顯示裝置51時，紅光改變成紅色資訊光線，其承載投影影像的紅色成分之資訊。
液晶顯示裝置52亦為由投影機驅動器17所驅動的反射式VAN-LCD，並顯示該投影影像資料的綠色成分之灰階影像。當反射離開液晶顯示裝置52時，綠光改變成綠色資訊光線，其承載投影影像的綠色成分之資訊。
液晶顯示裝置53亦為由投影機驅動器17所驅動的反射式VAN-LCD，並顯示該投影影像資料的藍色成分之灰階影像。當反射離開液晶顯示裝置53時，藍光改變成藍色資訊光線，其承載投影影像的藍色成分之資訊。
遲滯補償元件56補償由液晶顯示裝置51前進到極化分光器48的紅色資訊光線的相位差。意即，遲滯補償元件56改變斜向通過液晶顯示裝置51的光線之相位成為不通過極化分光器48的相位，其做為檢偏器。同時，遲滯補償元件56補償由於液晶分子之預傾的雙折射在垂直通過液晶顯示裝置51的光線中造成的相位差。
類似地，遲滯補償元件57補償由液晶顯示裝置52前進 到極化分光器49之綠色資訊光線的相位差，且遲滯補償元件58補償由液晶顯示裝置53前進到極化分光器50之藍色資訊光線的相位差。
二色性稜鏡61為玻璃元件或透明元件，其形狀為立方體，包含有相互垂直的二色性表面62、63。二色性表面62反射紅光而傳遞綠光。二色性表面63反射藍光而傳遞綠光。
因此，來自液晶顯示裝置51、52及53的紅、綠及藍色資訊光線分別由二色性稜鏡61合成為投影光線，然後其導引到投影鏡片16，及以全色彩投影到螢幕24上。
更特定而言，如第3A圖所示，遲滯補償元件56位在液晶顯示裝置51及極化分光器48之間。液晶顯示裝置包括透明基板67、反射基板68、及透明基板67與反射基板68之間的液晶層69。液晶顯示裝置51為一種稱之為LCOS(矽上液晶,"Liquid Crystal On Silicon")之裝置，該反射式液晶顯示裝置在半導體基板上具有液晶層。
透明基板67例如由玻璃基板71、透明電極72及配向膜73構成。這些組件的配置順序自光源側開始為玻璃基板71、透明電極72及配向膜73。透明基板67皆由透明材料製成，因此傳遞幾乎所有來自極化分光器48的S極化紅光。
透明電極72例如為氧化銦錫(ITO, "Indium-tin oxide")薄膜、並由濺鍍、電子束蒸鍍或這些常用方法而形成在玻璃基板71上。透明電極78在當施加電壓於其上時做為液晶顯示裝置51之每個像素的共用電極，及反射式電極77， 如下所述。
配向膜73為像是無機材料(如SiO)製成的斜向沉積薄膜，並具有由該材料的沉積方向決定的方向性(以下稱之為配向方向)。配向膜73與額外的配向膜79之間的液晶分子定位在配向膜79的配向方向上。配向膜有可能為所謂的聚醯亞胺膜，其為具有聚醯亞胺鍵的高分子量聚合物之薄膜。但是，當相較於此種有機配向膜，該斜向沉積無機膜更為耐用，並確保每個組件可以長時間地更為穩定的運作。因此較佳地是使用斜向沉積無機膜做為VAN-LCD的配向膜。
反射基板68包括矽或類似者之半導體基板74、半導體基板74上的像素驅動器電路76、反射電極77及配向膜79。這些元件之配置順序在半導體基板74上為像素驅動器電路76、反射電極77及配向膜79。反射基板68反射自極化分光器48入射在液晶層69上的光線，並傳送該光線回到極化分光器48。
反射電極77由像是銀或鋁的閃光金屬製成，並提供在半導體基板74上。反射電極77反射來自極化分光器48的入射光線，以傳送該光線回到極化分光器48。反射電極77係提供給液晶顯示裝置51的每個像素，而施加橫跨於其上的電壓及透明電極72皆以逐個像素為基礎來控制。
像素驅動器電路76為積體電路，其由例如一種表面處理製成直接形成在半導體基板74上。反射電極77係位在每個像素驅動器電路76上。每個像素驅動器電路76連接 至反射電極77的正上方，並控制施加於反射電極77的電壓。
配向膜79為與配向膜73相同的斜向沉積無機膜，並覆蓋反射電極77之上。配向膜79之配置使得其配向方向符合於配向膜73的方向。
液晶層69為透明基板67及反射基板68之間的液晶分子75的厚度。這些液晶分子75例如為具有負介電非等向性之棒狀的液晶分子。這些液晶分子75根據橫跨透明基板67與反射基板68之電壓旋轉配向膜73、79的配向方向。
另一方面，當未施加電壓橫跨透明基板67及反射基板68(以下稱之為電壓關閉狀態)時，配向膜73、79用於導引液晶分子75大致垂直於液晶顯示裝置51的表面。在此狀態下，液晶分子75對於通過液晶層69之光線的極化沒有影響。意即，在電壓關閉狀態下，通過液晶層69之光線維持為S極化，並反射離開反射電極77，然後進入極化分光器48。
例如，在第3A圖中，液晶層69係在電壓關閉狀態中，且液晶分子對於通過它們的光線僅有少許影響，S極化入射光線70到達反射電極77處，而不改變極化，再次反射離開而通過液晶層69，並做為S極化紅色資訊光線81進入極化分光器48中。因為其為S極化的光線，此紅色資訊光線81由極化分光器48的極化分光膜64所反射，且不會到達二色性稜鏡61。因此，液晶顯示裝置51在當該等像素置於電壓關閉狀態時呈現黑色(以下稱為黑暗狀態)。
另一方面，當施加電壓橫跨透明電極72及反射電極77時，液晶分子75傾斜在配向膜73、79之配向方向上。在此狀態下，通過液晶層69的光線之極化方向根據液晶分子75的傾斜角度而改變。換言之，當通過施加電壓的液晶層69時，至少該光線的一部份由S極化改變成P極化光線，並進入極化分光器48。
例如，在第3B圖之施加電壓橫跨液晶層69處，大部份的液晶分子75在配向膜73、79的配向方向上傾斜。在此狀態下，通過液晶層67的光線成為資訊光線82，其包含像是入射光線70的S極化光線成分，以及並未包含在入射光線70中的P極化光線成分，然後進入極化分光器48。資訊光線82為所謂的橢圓極化光線，且其S極化光線成分由極化分光膜64反射，而其P極化光線成分經由極化分光膜64傳遞到二色性稜鏡61。因此，當電壓對每個像素做調整時，通過極化分光膜64的P極化光線成分的量即被調整，且液晶顯示裝置51呈現灰色。
另外，在第3C圖之施加足量的電壓橫跨液晶層69處，大部份的液晶分子75傾斜在配向膜73、79的配向方向上，所以大部份將大致平行於液晶顯示裝置51的表面。在此狀態下，由於大致平行於該表面的液晶分子75之雙折射，通過液晶層69的光線改變極化狀態成為幾乎僅包含P極化光線成分之資訊光線83，並進入極化分光器48。此資訊光線83能夠通過極化分光器48的極化分光膜64。因此，當施加足量電壓到像素時，液晶顯示裝置51呈現最亮或紅色(以 下稱之為明亮狀態)。
遲滯補償元件56置於液晶層67與檢偏器68之間，所以其能夠補償從液晶層69到極化分光器48的資訊光線的相位差。遲滯補償元件56由負C板85與O板86構成。
如第4圖所示，C板85(單軸雙折射介質)具有垂直於遲滯補償元件56的表面之光軸L5，並補償斜向通過液晶層69的光線之相位差。C板85為在基底材料(如玻璃基板88)上高折射係數層91與低折射係數層92的交替堆疊。
在此較佳具體實施例中，高折射係數層91由TiO2 製成，其為高折射係數介電材料，而低折射係數層92由SiO2 製成，其為低折射係數介電材料。為了防止疊層之間光線的反射及干擾，C板85的每個折射係數層較佳地是要足夠薄。但是，降低每一層之厚度最後會造成增加疊層的數目，以確保C板85的適當功能性，且將會降低可製造性及生產性。
因此較佳地是控制每一折射係數層91、92之光學厚度，即實體厚度與折射係數的數學乘積，使其足夠小於可見光波長λ。特別是，每層的較佳光學厚度不小於λ/100，且不大於λ/5，而更佳的光學厚度不小於λ/50，且不大於λ/10，而又更佳的光學厚度不小於λ/30，且不大於λ/10。
高折射係數層91可由ZrO2 或類似者製成，而低折射係數層92可由MgF2 或類似者製成。此外，除了使用玻璃基板88之外，高及低折射係數層91、92可直接堆疊在液晶顯示裝置51或O板86之上。
因為其與平行於光軸L5的光線為等向性，即垂直入射光線，C板85不能夠補償光線的相位差。但是，C板85並不等向於該斜向入射光線，並造成雙折射。此特徵使得C板85補償斜向入射光線的相位差，以及因此斜向通過液晶層69的光線之相位差。同時，C板85補償由O板86造成的光線之相位差。
如第5圖所示，O板85為雙軸雙折射介質，並由例如斜向沉積膜93與玻璃基板94所構成。使用所謂的斜向沉積方法，斜向沉積膜93以角度沉積無機材料(例如Ta2 O5 )到玻璃基板94或這種基底材料所製成。依此方式製造的斜向沉積膜93具有柱狀結構的溝槽，其由沉積的方向(沉積方向)96上由沉積角度α所造成的某個角度而傾斜。
因此O板86一般成為雙軸雙折射介質。因此，如第6圖所示，通過O板86的光線之雙折射使用折射係數橢球102來評估，其具有三個主要折射係數n1、n2及n3之半軸。例如，相互正交的X1及Y1軸固定在平行於O板86的表面之平面上，而Z1軸沿著O板86的表面之法線而固定。沉積方向96固定在X1-Z1平面上，然後主要折射係數n2位在X1-Z1平面上。在此狀況下，O板86的最大主要折射係數(或n1)大致在與沉積方向96的不同方向上進行，雖然它們存在於相同的X1-Z1平面上，而在主要折射係數n1及Z1軸之間的傾角小於沉積角度α(α>)。
當折射係數橢球102沿著平行於O板86的表面並通過原點103之一平面切割，切割面104具有卵形，其在X1 軸方向上半徑nx，及在Y1軸方向上半徑ny。因此，對於該垂直入射光線，O板86做為一雙折射介質，其具有在X1軸方向上折射係數nx，及在Y1軸方向上折射係數ny。此外，當折射係數nx大於折射係數ny(nx>ny)時，對垂直入射光線而言最小折射係數(即快軸L6)進行在Y1軸方向。當折射係數nx小於折射係數ny(nx<ny)時，相反地，快軸L6在X1軸方向上進行。依此方式，其為折射係數nx與ny之間的大小關係，即每個主要折射係數n1、n2及n3對角度之關係，其決定O板86的快軸L6是否在X1軸方向或Y1軸方向上進行。因此，當本說明書假設快軸L6在O板86上重合於沉積方向96的正交投射時(即X1軸方向)，快軸L6並不需要在X1軸方向上進行，但可在Y1軸方向上進行。
在實務上，O板86的每一折射係數的方向將根據一些製造條件，例如真空度、基板溫度、要沉積的材料、沉積角度、及用於製造的設備而改變，因此O板的特性無法完全地預測。但是，大致為相同性質的O板可在相同的製造條件及設備之下取得，其甚至有可能藉由控制這些條件視需要調整O板的光學特性。
雖然O板86通常在當由斜向沉積方法製造時成為雙軸雙折射介質時，在某些案例中，上述的製造條件之控制使得O板86成為所謂的單軸雙折射介質，例如其中兩個主要折射係數n2及n3具有相同的大小(n2=n3)。此種單軸雙折射介質可以視為該雙軸雙折射介質的特殊狀態，且應該被 視為單軸雙折射O板86。
其必須注意到遲滯補償元件57、58具有與遲滯補償元件56相同的組態，且液晶顯示裝置52、53與液晶顯示裝置51具有相同的組態。
如第7圖所示，遲滯補償元件56的C板85與O板86之配置順序為液晶顯示裝置51、O板86、C板85與極化分光器48。
如上所述，當未施加電壓到液晶顯示裝置51之像素時，液晶分子75大致垂直於液晶顯示裝置51的表面而配向。但是，如第6圖所示，在電壓關閉狀態下的液晶分子75事實上有意地與垂直方向傾斜5度，藉以避免造成有配向缺陷的反轉傾斜領域。
相互正交的X2及Y2軸係固定在平行於液晶顯示裝置51之表面的平面上，而Z2軸被設定在液晶顯示裝置51的垂直方向上，換言之，平行於通過液晶層69之光線的光軸(傳輸光線軸)L7。此外，X2軸係相對於極化分光器48之極化分光膜64在S極化光線的電場振盪方向上配向，且Y2軸在P極化光線的電場振盪方向上配向。在此條件下，如第7圖所示，在液晶分子75之傾斜方向與X2軸之間45度的角度(方位角)γ，在液晶分子75的傾斜方向與Y2軸之間亦有45度的角度。
在此條件下，液晶分子75形成與X2-Y2平面之傾斜角β。根據施加於每個像素之電壓，傾角β在0度與85度之間偏移。當足量的電壓施加橫跨液晶層67時，傾角β成為 大約0度，且液晶分子75被導向平行於X2-Y2平面。在電壓關閉狀態下，相反地，傾角β成為85度，且液晶分子75被導向大致垂直於X2-Y2平面。在此電壓關閉狀態下的傾角β稱之為預傾角，且液晶分子75係與Z2軸及配向膜79之配向方向中傳遞光線軸L7傾斜成5度。
實務上，當施加電壓時，靠近配向膜73、79的液晶分子75保持與電壓關閉狀態下相同的姿勢，而在液晶層69的中央處大部份的液晶分子75改變其導向。
此外，如果液晶分子75如上述地預傾，即使在黑暗狀態像素中會引起由於預傾造成的雙折射，且一部份光線可通過極化分光膜64。因此，幾乎無法重現完全黑色，並會降低投影影像的對比度。
即使當施加電壓橫跨液晶層69時，以及在電壓關閉狀態下，光線的雙折射由靠近配向膜73、79之液晶分子75的預傾所造成。在此狀況下，一些極化光線成分可通過極化分光膜64，且投影影像以低對比度呈現。
依此，O板86之配置使得液晶分子75的快軸L6及傾斜方向L8彼此平行。意即，O板86之配置使得斜向沉積膜93之沉積方向96在液晶顯示裝置51之上的垂直投影與液晶分子75之傾斜方向L8重合。
在依此配置的O板86與極化分光器48之間，C板85將其光軸L5配置成平行於Z2軸。
當遲滯補償元件56依此方式配置時，垂直通過液晶層69的光線將因為液晶分子75之預傾造成的雙折射而具有 相位差。但是此相位差在當光線通過O板86時可被補償。此外，通過O板86之光線的相位差由C板85補償。依此方式，在液晶層69上之垂直入射光線的相位差適當地由O板86與C板85補償，因此其有可能防止光線在黑暗狀態期間通過極化分光器48的極化分光膜64。
另一方面，斜向通過液晶層69之光線的相位差，或所謂的歪斜光束同時由O板86與C板85補償。C板85亦補償斜向通過O板86之光線的相位差。換言之，斜向通過液晶層69之光線成為由於液晶分子75的預傾角β造成的雙折射而具有之相位差。但是，此相位差適當地由O板86與C板85所補償。因此其有可能防止光線在黑暗狀態期間通過極化分光膜64。
依此方式，遲滯補償元件56補償由於液晶分子75之預傾造成的相位差，以及斜向通過液晶層69之光線的相位差。
接著，參照實施例1，其解釋遲滯補償元件56的運作。以下，相位差即取代遲滯為相等的用語，因為該相位差根據通過液晶顯示裝置及遲滯補償元件之光線的波長及其它特性。遲滯dΔn由公式dΔn=d．(nx-ny)所表達，其中d代表遲滯補償元件的實體厚度，nx代表元件表面上的最大主要折射係數，而ny代表元件表面上最小主要折射係數。此外，在液晶層與C板之厚度方向上的遲滯Rth由公式Rth=d．{nz-(nx+ny)/2}表示。
[實施例1]
液晶顯示裝置係製備具有+200nm之遲滯Rth(在液晶層之厚度方向上)及具有預傾角85度之液晶分子。然後遲滯補償元件由具有+4nm遲滯與20.5度之最大主要折射係數n1的傾角的O板，及在-120nm之厚度方向上具有遲滯Rth的C板所製備。這些液晶顯示裝置及遲滯補償元件被組合來構成投影機，測量透過作用為偏光器及檢偏器之液晶顯示裝置的錐光偏振圖，以評估液晶顯示裝置及投影機的對比度。錐光偏振圖係在液晶顯示裝置之垂直線上環繞中心點的-30=θ=+30及0==360範圍內測量，其中代表環繞該中心點的旋轉角度，及θ代表相交在該中心點處法線之間的測量角度。
實施例1中的O板係以45度的沉積角α來斜向沉積Ta2 O5 製成，並具有最大主要折射係數n1為1.800，主要折射係數n2為1.784，主要折射係數n3為1.742，而主要折射係數n1之傾角為20.5度。因此，折射係數nx小於折射係數ny(nx<ny)，且O板的快軸L6重合沉積方向的正交投影到O板之上。
如第8圖之錐光偏振圖所示，其中僅使用C板做為遲滯補償元件，且傳遞光線量為最低，且最佳對比點(以下稱為最暗點)98不在對液晶顯示裝置的法線(θ=0)上。此係由於液晶分子的預傾所造成的雙折射，而存在有無法控制地通過該檢偏器所造成。
在比較之下，如第9圖之錐光偏振圖所示，其中使用C板與O板做為遲滯補償元件，最暗點98係在液晶顯示裝置 之法線(θ=0)上。此代表由於液晶分子之預傾所造成的雙折射造成的相位差已經由O板補償。
接著，為了評估遲滯補償元件的效果，準備具有1100:1對比度之投影機，並組合遲滯補償元件。若僅有C板，投影機的對比度增加到1600:1。利用由C板與O板構成的遲滯補償元件，投影機的對比度增加到2400:1。此結果代表當組合有本發明之遲滯補償元件時，該投影機已經涵蓋廣視角改善對比度。
如上所述，藉由使用遲滯補償元件，根據本發明之液晶顯示裝置及液晶投影機可適當地補償由於VAN-LCD之液晶分子的預傾造成的相位差，並改善對比度。此外，由C板及雙折射O板構成的遲滯補償元件補償斜向通過VAN-LCD之光線的相位差，並改善視角。
再者，於本發明中，使用藉由斜向沉積方法製造的雙折射O板允許簡易及便宜地製造該遲滯補償元件，否則即需要這種繁雜的程序，如疊層許多遲滯膜或在數個不同方向上拉伸聚合物膜，以及昂貴的設備。此遲滯補償元件亦很耐久及壽命長。
當前述較佳具體實施例利用O板的雙折射特性，及引進到VAN-LCD之遲滯補償元件包括單一O板時，該遲滯補償元件可具有數個O板。
當在上述具體實施例中VAN-LCD為單一領域型式，其液晶分子的方向皆在相同的配向方向上，本發明的遲滯補償元件可應用到多領域型式的VAN-LCD，其像素被分組成 不同配向方向的領域。
在上述具體實施例中，C板為具有不同折射係數的層之交互堆疊。但是，C板可為三乙酸纖維素(TAC, "Triacetyl cellulose")的拉伸膜。同樣對於TAC膜，C板可由例如聚碳酸酯膜、聚乙烯醇膜、聚碸膜、聚烯烴膜及聚芳酯膜。
當其在上述具體實施例中沉積在液晶顯示裝置與極化分光器之間時，遲滯補償元件僅需要放置在液晶層與極化分光膜之間。因此，遲滯補償元件有可能整合於液晶顯示裝置或極化分光器。
雖然在上述具體實施例中的配置順序為液晶顯示裝置、O板、C板及極化分光器，其有可能顛倒O板與C板的順序。此外，O板與C板不需要彼此相鄰，而是它們可獨立地分別位在液晶顯示裝置與極化分光器上。
在上述具體實施例中，液晶投影機對於R、G及B具有三個液晶顯示裝置。但是，投影機可具有單一液晶顯示裝置來快速地切換於R、G及B影像之間，並藉由選擇性地投射R、G及B光線在此液晶顯示裝置上來產生全彩投影影像。
再者於上述具體實施例中，液晶顯示裝置係用於同軸系統，其由垂直方向傳送光線到該液晶顯示裝置，並投射由該液晶顯示裝置反射的資訊光線到該垂直方向。但是，該液晶顯示裝置可用於偏軸系統，其例如由斜向方向傳送光線到液晶顯示裝置，並由該入射方向投射由液晶顯示裝置反射的資訊光線到不同的斜向方向。
上述具體實施例並未例示典型的功能加入層，例如抗反射層與抗炫光層，其較佳地是一般性地使用這些功能加入層配合該相位差補償層。
10‧‧‧投影機
16‧‧‧投影鏡片
17‧‧‧投影機驅動器
18‧‧‧顯示光學系統
19‧‧‧外殼
21‧‧‧縮放旋鈕
22‧‧‧調焦旋鈕
23‧‧‧光量調整旋鈕
24‧‧‧螢幕
31‧‧‧光源
32‧‧‧資訊光線產生區段
33‧‧‧燈
34‧‧‧反射鏡
36‧‧‧防紫外線濾光器
37‧‧‧積分器
38‧‧‧極化單元
41‧‧‧傳遞鏡片
42‧‧‧準直鏡片
43‧‧‧反射鏡
46‧‧‧二色性鏡
47‧‧‧二色性鏡
48‧‧‧極化分光器/檢偏器
49‧‧‧極化分光器
50‧‧‧極化分光器
51‧‧‧液晶顯示裝置
52‧‧‧液晶顯示裝置
53‧‧‧液晶顯示裝置
56‧‧‧遲滯補償元件
57‧‧‧遲滯補償元件
58‧‧‧遲滯補償元件
61‧‧‧二色性稜鏡
62‧‧‧二色性表面
63‧‧‧二色性表面
64‧‧‧極化分光膜
65‧‧‧極化分光膜
66‧‧‧極化分光膜
67‧‧‧透明基板
68‧‧‧反射基板
69‧‧‧液晶層
70‧‧‧S極化入射光線
71‧‧‧玻璃基板
73‧‧‧配向膜
74‧‧‧半導體基板
75‧‧‧液晶分子
76‧‧‧像素驅動器電路
77‧‧‧反射電極
79‧‧‧配向膜
81‧‧‧S極化紅色資訊光線
82‧‧‧資訊光線
83‧‧‧資訊光線
85‧‧‧C板
86‧‧‧O板
88‧‧‧玻璃基板
91‧‧‧高折射係數層
92‧‧‧低折射係數層
93‧‧‧斜向沉積膜
94‧‧‧玻璃基板
96‧‧‧沉積方向
98‧‧‧最佳對比點/最暗點
102‧‧‧折射係數橢球
103‧‧‧原點
104‧‧‧切割面
L1‧‧‧投射光線軸
L2‧‧‧光源光軸
L5‧‧‧光軸
L6‧‧‧快軸
L7‧‧‧傳輸光線軸
L8‧‧‧傾斜方向
第1圖為具有根據本發明遲滯補償元件的投影機之外部透視圖；第2圖為該投影機之光學結構的方塊圖；第3A圖到第3C圖為液晶顯示裝置及遲滯補償元件的配置之示意圖；第4圖為C板的剖視圖；第5圖為O板的示意圖；第6圖為代表O板之光學特性的折射係數橢球之示意圖；第7圖為將O板配置到液晶顯示裝置的示意圖；第8圖為僅使用C板做為該遲滯補償元件的一投影機之視角效能之錐光偏振圖；及第9圖為具有本發明之遲滯補償元件的投影機之視角效能的錐光偏振圖。
51‧‧‧液晶顯示裝置
56‧‧‧遲滯補償元件
69‧‧‧液晶層
71‧‧‧玻璃基板
72‧‧‧透明電極
73‧‧‧配向膜
74‧‧‧半導體基板
75‧‧‧液晶分子
76‧‧‧像素驅動器電路
77‧‧‧反射電極
79‧‧‧配向膜
85‧‧‧負C板
86‧‧‧O板
96‧‧‧沉積方向
L5‧‧‧光軸
L6‧‧‧快軸
L7‧‧‧傳輸光線軸
L8‧‧‧傾斜方向

Claims (6)

  1. 一種反射式液晶顯示裝置，其具有液晶顯示晶胞，其中當未施加電壓到液晶層時，液晶分子被配向成大致垂直於晶胞基板，其包含：雙軸雙折射介質，其由無機材料的斜向沉積所製成，並同時具有傾斜於該VAN液晶晶胞的表面之光軸、與快軸，其中該快軸重合於該無機材料的沉積方向在該晶胞表面上的垂直投射，該液晶分子具有傾斜方向，該傾斜方向係該液晶分子的指向矢(director)在該晶胞表面上的垂直投射，且該雙軸雙折射介質係定位成使得該快軸被設置為與該傾斜方向平行而補償由該液晶分子之傾斜於該晶胞基板的所造成的相位差。
  2. 如申請專利範圍第1項之反射式液晶顯示裝置，另包含：單軸雙折射介質，其結合該雙軸雙折射介質，並具有垂直於該晶胞表面的光軸，該單軸雙折射介質補償斜向通過該液晶層的光線之相位差與通過該雙軸雙折射介質的光線之相位差。
  3. 如申請專利範圍第2項之反射式液晶顯示裝置，其中該單軸雙折射介質為高折射係數與低折射係數無機層的交互堆疊。
  4. 如申請專利範圍第1項之反射式液晶顯示裝置，其中該雙軸雙折射介質係配置成使得該雙軸雙折射介質之快軸重合於該液晶分子的傾斜方向。
  5. 如申請專利範圍第1項之反射式液晶顯示裝置，其中該 遲延補償元件係配置成使得該雙軸雙折射介質之該快軸處於該液晶分子的該傾斜方向之相反方向上。
  6. 一種反射式液晶投影機，用於放大及投影在具有液晶顯示晶胞的反射式液晶顯示裝置中所顯示的影像，其中當未施加電壓到液晶層時液晶分子被配向成大致上垂直於晶胞基板，該反射式液晶顯示裝置包含：雙軸雙折射介質，其由無機材料的斜向沉積所製成，並同時具有傾斜於該VAN液晶晶胞的表面之光軸、與快軸，其中該快軸重合於該無機材料的沉積方向在該晶胞表面上的垂直投射，該液晶分子具有傾斜方向，該傾斜方向係該液晶分子的指向矢在該晶胞表面上的垂直投射，且該雙軸雙折射介質係定位成使得該快軸被設置為與該傾斜方向平行而補償由該液晶分子之傾斜於該晶胞基板所造成的相位差。
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