專利名稱：液晶投影儀、液晶器件以及用于液晶器件的襯底的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將圖像顯示在液晶器件上并將圖像投影到屏幕上的液晶投影儀。
背景技術(shù)：
液晶投影儀被廣泛地用于將圖像投影到屏幕上。所述液晶投影儀照射顯示在透射或反射液晶器件上的圖像，并且通過投影透鏡系統(tǒng)將圖像聚焦在屏幕上，以便很多人可以同時(shí)觀看圖像。液晶投影儀具有正面投影型和背面投影型。正面投影型投影儀從屏幕的正面(觀看者那面)投影圖像，而背面投影型投影儀從屏幕的背面投影圖像。
雖然有各種類型的液晶器件都可以用于液晶投影儀，但主要還是使用TN(扭轉(zhuǎn)向列)型液晶器件。TN型液晶器件具有一對(duì)襯底之間的一個(gè)液晶層。在該液晶層中液晶分子的長軸的方向與襯底保持平行，在厚度方向上逐漸傾斜，以便液晶分子的長軸沿著從一個(gè)襯底和另一個(gè)襯底的路徑平滑地扭轉(zhuǎn)90度。液晶分子層被一對(duì)起偏振片(偏振器和檢偏器)夾在中間。用于普通白液晶器件的起偏振片的偏振軸相互垂直(交叉偏光鏡結(jié)構(gòu))。用于普通黑液晶器件的起偏振片的偏振軸相互平行(平行偏光鏡結(jié)構(gòu))。
液晶器件可以利用其旋光效應(yīng)來顯示圖像。在普通的白型液晶器件中，入射光通過第一起偏振片被線性偏振。當(dāng)沒有電壓應(yīng)用到該液晶器件的未選擇像素時(shí)，液晶層中的液晶分子被扭轉(zhuǎn)以旋轉(zhuǎn)線性偏振光的偏振方向90度。經(jīng)過液晶層的線性偏振光可以通過第二起偏振片，以便未選擇的像素出現(xiàn)白色狀態(tài)。當(dāng)某一電平的電壓應(yīng)用到所選擇的像素時(shí)，不會(huì)發(fā)生所述液晶分子的扭轉(zhuǎn)調(diào)整。在此情況下，線性偏振光的偏振方向在液晶層中不被旋轉(zhuǎn)，因此線性偏振光被第二起偏振片阻擋。這樣，所選擇的像素出現(xiàn)黑色狀態(tài)。
所述液晶器件由于其雙折射而具有視角窄的缺陷。雙折射隨著應(yīng)用到液晶層的電壓的增加而變得明顯。雖然垂直于液晶器件的入射光在黑色狀態(tài)下被完全阻擋，但是液晶層表現(xiàn)出雙折射為斜入射光以改變線性偏振光為橢圓偏振光。由于橢圓偏振光可以通過第二起偏振片，因此入射光的泄漏導(dǎo)致所選擇像素的黑色密度降低。
這種液晶分子的雙折射出現(xiàn)在白色與黑色狀態(tài)之間的狀態(tài)，所以斜入射光被部分泄漏。因此，如果斜著看，則液晶器件上圖像的對(duì)比度就會(huì)降低。任何類型的液晶器件都或多或少的具有這種雙折射。
直接觀察圖像的直視型液晶顯示器為了減少雙折射效應(yīng)而具有一個(gè)延遲補(bǔ)償器。作為延遲補(bǔ)償器，在市場(chǎng)上已經(jīng)有“Fuji WV FilmWide View A”(商品名，以下稱作“WV膜”)，其由富士膠片株式會(huì)社制造。具有多層薄膜的形狀雙折射層被用作延遲補(bǔ)償器來防止斜著觀看圖像的對(duì)比度降低，正如在出版物Eblen JP，“Birefringent Compensators for Normally White TN-LCDs”，SID Symposium Digest，Society for Information Display，1994，245-248頁中所描述的。此外，美國專利No.5638197公開了一種延遲補(bǔ)償器，其中在襯底上傾斜地沉積有多個(gè)薄膜。
如上所述的延遲補(bǔ)償器被應(yīng)用到直視型液晶顯示器中，其中在顯示面板前面右側(cè)的觀察者在多于明晰視覺距離的距離處觀察所述圖像。在直視型液晶顯示器中，觀察者可以通過輕微地移動(dòng)眼睛的位置來調(diào)整邊緣區(qū)域中圖像的對(duì)比度。如果圖像在同一時(shí)刻被多個(gè)觀察者觀看，則由于所顯示的圖像與觀察者之間的距離足以大到減小視角，因此不太可能出現(xiàn)較低的對(duì)比度區(qū)域。
在液晶投影儀中，經(jīng)過液晶層的入射光通過投影透鏡系統(tǒng)被投影到屏幕上。觀察者可以觀看投影到屏幕上的圖像。所顯示圖像的對(duì)比度由于液晶層的斜入射光而降低。此時(shí)，即使觀察者盡量改變視角，也不可能增加投影圖像的對(duì)比度。具有大的后焦點(diǎn)的投影透鏡系統(tǒng)可以增加投影圖像的對(duì)比度，因?yàn)檫@種透鏡系統(tǒng)減小了液晶層的入射光的入射角。但是，這種透鏡系統(tǒng)不利于使投影儀的體積更小。
因此，為了解決液晶投影儀的對(duì)比度問題，增加液晶顯示器的視角的技術(shù)是很有效的。例如，日本公開專利出版物(JP-A)No.2002-014345和2002-031782描述了通過應(yīng)用延遲補(bǔ)償器到用于液晶投影儀的液晶器件中來提高投影圖像的對(duì)比度。在JP-ANo.2002-014345中的液晶投影儀描述了有機(jī)材料，例如WV膜，作為用于TN型液晶器件的延遲補(bǔ)償器。在JP-A No.2002-031782中公開了一種單軸雙折射晶體，例如單晶藍(lán)寶石及晶體。此外，在JP-ANo.2002-131750中描述了一種圓盤(Discotic)型液晶作為延遲補(bǔ)償器。
上述延遲補(bǔ)償器作為形狀雙折射體來表現(xiàn)取決于斜入射光的入射角的光學(xué)各向異性效應(yīng)。延遲補(bǔ)償器的這種各向異性效應(yīng)可以避免投影圖像的對(duì)比度由于來自具有大的發(fā)射角的液晶器件的斜發(fā)射光而引起的降低。
有機(jī)延遲補(bǔ)償器由于對(duì)包含紫外線部分的光的長時(shí)間照射而易于退色。在液晶投影儀中光源的強(qiáng)度必須高于直視型液晶顯示器的強(qiáng)度。較高強(qiáng)度的光源引起延遲補(bǔ)償器過熱。延遲補(bǔ)償器往往在2000-3000小時(shí)內(nèi)顏色會(huì)變成褐色。由于其耐用性較低，所以很難將有機(jī)延遲補(bǔ)償器應(yīng)用到國內(nèi)使用的液晶投影電視機(jī)中。
由藍(lán)寶石或晶體組成的延遲補(bǔ)償器具有供長期使用的較好耐用性，但是藍(lán)寶石和晶體都太貴了。此外，藍(lán)寶石或晶體的切割面和厚度必須精確地進(jìn)行控制以表現(xiàn)所需的光學(xué)特性。更進(jìn)一步地，藍(lán)寶石或晶體的延遲補(bǔ)償器的方向在組裝投影光學(xué)系統(tǒng)時(shí)必須精確調(diào)準(zhǔn)。因此，不考慮較好的耐用性，藍(lán)寶石或晶體延遲補(bǔ)償器在其制造成本方面來說也不太適合家用型液晶投影儀。
透射液晶器件具有一個(gè)微型透鏡陣列，以補(bǔ)償每個(gè)像素的孔徑比由于襯底上劃分像素電極的黑底部分所引起的降低。由于所述微型透鏡陣列改變了液晶器件的入射光的入射角，因此很難獲得延遲補(bǔ)償器所設(shè)計(jì)的效果。此外，微型透鏡陣列限制了延遲補(bǔ)償器的位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種增加投影到屏幕上的圖像的對(duì)比度的液晶投影儀。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提高液晶投影儀中延遲補(bǔ)償器的耐用性足以長期使用，例如家用電視。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是降低用于液晶投影儀的延遲補(bǔ)償器的制造成本。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是改善當(dāng)微型透鏡陣列與液晶器件結(jié)合時(shí)投影圖像的對(duì)比度。
在本發(fā)明中的一種液晶投影儀包括設(shè)置在液晶器件的入射平面?zhèn)扰c發(fā)射平面?zhèn)鹊钠衿骱蜋z偏器；以及無機(jī)形狀雙折射層，用于補(bǔ)償由液晶器件引起的延遲。該形狀雙折射層設(shè)置于液晶器件的入射平面?zhèn)群桶l(fā)射平面?zhèn)鹊闹辽僖粋€(gè)平面?zhèn)鹊钠衿髋c檢偏器之間。也可以在反射液晶投影儀中設(shè)置形狀雙折射層，其中液晶器件的入射平面與其發(fā)射平面相同。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，形狀雙折射層是多個(gè)薄膜，這些薄膜包含至少兩種具有不同折射率的交替層疊的薄膜層。每個(gè)薄膜層的光學(xué)厚度從λ/100到λ/5，其中λ為進(jìn)入液晶器件的照射光的波長。
形狀雙折射層可以形成在所述液晶器件中。在此情況下，該液晶器件具有在一對(duì)襯底主體之間的一個(gè)液晶層。形成在所述襯底主體的內(nèi)表面和外表面的至少一個(gè)表面上的形狀雙折射層補(bǔ)償由于液晶層中的雙折射所引起的延遲。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，形狀雙折射層是配置成在垂直于照射光或圖像光的光軸的平面中呈現(xiàn)一維或二維折射率分布的多個(gè)雙折射構(gòu)件。所述雙折射構(gòu)件可以傾斜于照射光或圖像光的光軸。
根據(jù)本發(fā)明，由于使用無機(jī)形狀雙折射層作為延遲補(bǔ)償器來提高投影到屏幕上的圖像的對(duì)比度，因此可以利用具有高圖像對(duì)比度的投影儀長期使用，例如家用電視。
附圖的簡要說明附

圖1是一種背面投影型液晶投影儀的正面立體圖；附圖2是表示具有透射液晶器件的液晶投影儀的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；附圖3是延遲補(bǔ)償器的一個(gè)例子的截面示意圖；附圖4是表示延遲補(bǔ)償器的光譜透射率曲線圖；附圖5是表示具有反射液晶器件的液晶投影儀的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；附圖6A和6B是具有延遲補(bǔ)償器的反射液晶器件的示意圖；附圖7是表示具有延遲補(bǔ)償器和微型透鏡陣列的透射液晶器件的截面示意圖；附圖8是表示其中在透射液晶器件中包含有形狀雙折射層的液晶投影儀的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；附圖9是具有形狀雙折射層的透射液晶器件的截面示意圖；附圖10A、10B、10C、附圖11A、11B和11C是表示像素電極側(cè)的液晶器件的例子的部分截面示意圖；附圖12A、12B、12C、附圖13A、13B和13C是表示公共電極側(cè)的液晶器件的例子的部分截面示意圖；
附圖14是具有絕緣層的液晶器件的截面示意圖；附圖15、16是表示具有延遲補(bǔ)償器和微型透鏡陣列的透射液晶器件的例子的截面示意圖；附圖17是表示其中在反射液晶器件中包含有形狀雙折射層的液晶投影儀的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；附圖18是反射液晶器件的截面示意圖；附圖19是附圖18的液晶器件的部分截面示意圖，其中形狀雙折射層形成在硅襯底上；附圖20、21、22、23和24是形狀雙折射層的例子的局部立體圖；以及附圖25是通過傾斜沉積形成的形狀雙折射層的局部立體圖。
具體實(shí)施例方式
附圖1中描述了一種背面投影型的液晶投影儀。在該液晶投影儀的外殼2的正面提供有一個(gè)漫透射屏3。從屏幕3的正面觀察從其背面投影的圖像。通過安裝在外殼2中的具有液晶器件的圖像投影單元5投影的圖像被反射在反射鏡6、7并被聚焦在屏幕3的背面。所述液晶投影儀通過加入公知的電子電路(例如調(diào)諧器電路，視頻/聲音信號(hào)再現(xiàn)電路)而可以用作寬屏電視。在此情況下，再現(xiàn)的視頻圖像被顯示在圖像投影單元的液晶器件上。
如圖2所示，圖像投影單元5具有用于紅、綠和藍(lán)色圖像11R、11G和11B的三個(gè)透射液晶器件，以投影全色圖像到屏幕3上。光源12發(fā)射的光通過阻斷紫外線和紅外線分量的阻斷濾波器13變成包含紅、綠和藍(lán)光的白光。白光沿著照射光軸(附圖中的一條虛線)行進(jìn)并進(jìn)入玻璃棒14。由于玻璃棒14的入射平面位于光源12的拋物面鏡的焦點(diǎn)位置附近，來自阻斷濾波器13的白光進(jìn)入玻璃棒14的入射平面而沒有大的損失。
在通過玻璃棒14之后，白光被中繼透鏡15和準(zhǔn)直透鏡16校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的白光被反射在反射鏡17上射向分色鏡18R，該分色鏡18R穿過紅光并反射藍(lán)光和綠光。用于紅色圖像11R的液晶器件從后面被在反射鏡19上反射的紅光照射。在分色鏡18R上被反射的藍(lán)光和綠光到達(dá)其中僅反射綠光的分色鏡18G。在分色鏡18G上被反射的綠光從后面照射用于綠色圖像11G的液晶器件。在反射鏡18B、20上被反射的藍(lán)光從后面照射用于藍(lán)色圖像11B的液晶器件。
液晶器件11R、11G、11B包含TN液晶層并且分別顯示紅、綠和藍(lán)色密度圖像。通過液晶器件11R，11G和11B的紅、綠和藍(lán)光分別變?yōu)榧t、綠和藍(lán)色圖像光。顏色重組棱鏡24位于從顏色重組棱鏡24的中心到液晶器件11R，11G和11B的光學(xué)距離為相等的位置。顏色重組棱鏡24具有兩個(gè)分光平面24a，24b，分別用于反射紅光和藍(lán)色圖像光，以便紅、綠和藍(lán)色圖像光被合成為全色圖像光。
投影透鏡系統(tǒng)25定位在從顏色重組棱鏡24的發(fā)射平面到屏幕3的投影光軸上。投影透鏡系統(tǒng)25的目標(biāo)側(cè)焦點(diǎn)在液晶器件11R，11G，11B的發(fā)射平面上。投影透鏡系統(tǒng)25的圖像側(cè)焦點(diǎn)在屏幕3上。因此，來自顏色重組棱鏡24的全色圖像光通過投影透鏡系統(tǒng)25聚焦在屏幕3上。值得注意的是，為了簡化附圖，附圖1中省略了反射鏡6，7。
作為偏振器的前起偏振片26R，26G，26B分別設(shè)置在液晶器件11R，11G，11B的入射平面的前面。延遲補(bǔ)償器27R，27G，27B以及作為檢偏器的后起偏振片28R，28G，28B配置在液晶器件11R，11G，11B的發(fā)射平面?zhèn)?。前起偏振?6R，26G，26B和后起偏振片28R，28G，28B的偏振方向相互垂直(交叉偏光鏡結(jié)構(gòu))。這些起偏振片與用于紅、綠和藍(lán)色通道的延遲補(bǔ)償器的操作基本上相同，而不管根據(jù)波長的不同而存在的微小差異。因此，在以下描述中僅說明紅色通道。
在反射鏡19上被反射的紅光通過前起偏振片26R而遭受線性偏振，并進(jìn)入用于普通白色類型的紅色液晶器件11R中。將某一電平的電壓應(yīng)用到所選擇像素的液晶層以顯示黑色像素圖像。如果紅色入射光進(jìn)入到垂直于入射平面的液晶器件11R中，則紅色入射光被后起偏振片28R完全阻擋。
但是，當(dāng)紅色入射光斜著進(jìn)入入射平面時(shí)，液晶分子的雙折射效應(yīng)出現(xiàn)使得入射光延遲。接著，線性偏振的斜入射光在通過該液晶層期間變成橢圓偏振光。這種橢圓偏振光使得從所選擇的像素的漏光，從而黑色密度降低。在普通黑色型液晶器件中，液晶分子稍微傾斜。因此，線性偏振入射光變成橢圓偏振光，從而像素的黑色密度降低。
位于液晶器件11R與后起偏振片28R之間的延遲補(bǔ)償器27R補(bǔ)償所述延遲，以便橢圓偏振光變成線性偏振光。由于延遲補(bǔ)償，后起偏振片28R可以減少紅色圖像光的強(qiáng)度，從而該像素圖像中的黑色密度增加。因此，可以增加圖像的對(duì)比度。
本發(fā)明的液晶投影儀在延遲補(bǔ)償器27R中使用無機(jī)形狀雙折射層，如圖3中所示。形狀雙折射層30包括多個(gè)薄膜L1，L2，它們交替層疊在透明玻璃襯底31上。薄膜L1，L2的折射率彼此是不同的。
每個(gè)薄膜的光學(xué)厚度(物理厚度與折射率的乘積)小于入射光的波長λ。每個(gè)薄膜的光學(xué)厚度優(yōu)選從λ/100到λ/5，更優(yōu)選是從λ/50到λ/5，尤其是從λ/30到λ/10。因此，延遲補(bǔ)償器27R表現(xiàn)出c片(單軸雙折射片)的負(fù)雙折射。延遲補(bǔ)償器27R的定位使得薄膜的表面垂直于入射光的照射光軸。
用于高折射率薄膜材料的例子有TiO2(2.20至2.40)和ZrO2(2.20)。圓括號(hào)中的數(shù)值表示折射率。用于低折射率薄膜的材料有SiO2(1.40至1.48)、MgF2(1.39)和CaF2(1.30)。作為用于高折射率薄膜和低折射率薄膜的材料，可以使用的材料例如有CeO2(2.45)、SnO2(2.30)、Ta2O5(2.12)、In2O3(2.00)、ZrTiO4(2.01)、HfO2(1.91)、Al2O3(1.59至1.70)、MGO(1.70)、ALF3、金剛石薄膜、LaTiOx以及氧化釤。用于高折射率薄膜和低折射率薄膜的組合的例子有TiO2/SiO2、Ta2O5/Al2O3、HfO2/SiO2、MgO/Mgf2、ZrTiO4/Al2O3、CeO2/CaF2、ZrO2/SiO2和ZrO2/Al2O3。
每個(gè)薄膜的光學(xué)厚度最好盡可能地小，以便防止薄膜L1，L2之間的光學(xué)干涉。但是，每個(gè)薄膜的厚度越小，會(huì)導(dǎo)致沉積周期的增大，從而構(gòu)成具有所需總厚度的延遲補(bǔ)償器。這樣，根據(jù)雙折射和沉積周期數(shù)來確定折射率、厚度比以及總厚度。薄膜可以是彩色的，只要彩色層不會(huì)影響薄膜干涉。有必要選擇薄膜的材料不受沉積薄膜的內(nèi)應(yīng)力而破裂。
利用沉積設(shè)備，例如真空沉積設(shè)備或?yàn)R射沉積設(shè)備來沉積形狀雙折射層中的多個(gè)薄膜。沉積設(shè)備具有遮光器使原材料與襯底隔開。遮光器交替開合，同時(shí)加熱沉積原材料，以便兩種類型的薄膜層交替沉積在所述襯底上。代替遮光器，所述襯底也可以固定在一個(gè)以預(yù)定速度移動(dòng)襯底的固定件中。通過將襯底在加熱的原材料上面通過，所述薄膜層交替沉積。由于這些沉積設(shè)備為了獲得多個(gè)薄膜需要單個(gè)真空處理，因此可以提高生產(chǎn)率。
在形狀雙折射層中每個(gè)薄膜的厚度如下設(shè)計(jì)。如出版物Kogaku(Japanese Journal of Optics)，第27卷，第1號(hào)(1998)，第12-17頁中所描述的，雙折射Δn被定義為兩個(gè)具有不同折射率的薄膜的光學(xué)厚度比。雙折射Δn變得和折射率的差一樣大。延遲d·Δn被定義為雙折射層的雙折射Δn與總物理厚度d之乘積。選擇用于薄膜層的材料，以便獲得較大的雙折射Δn。然后，根據(jù)所需的延遲d·Δn確定總的物理厚度?？紤]總的物理厚度d和上述每層的光學(xué)厚度的數(shù)值情況來確定沉積薄膜層的數(shù)量。
至于具有多個(gè)介電層的光學(xué)器件的例子，分色鏡、偏振光分束器、顏色合成棱鏡以及防反射涂層都是公知的。每層的光學(xué)厚度被設(shè)計(jì)成是λ/4的整數(shù)倍，以便光學(xué)器件表現(xiàn)出光學(xué)干涉。另一方面，在形狀雙折射層中每個(gè)薄膜的光學(xué)厚度小于λ/4。此外，每個(gè)薄膜的光學(xué)厚度被控制以獲得所需的雙折射Δn。因此，很清楚的是，在延遲補(bǔ)償器中形狀雙折射層表現(xiàn)出與其他光學(xué)器件不同的光學(xué)功能。
如上所述，形狀雙折射層30的延遲d·Δn被定義為雙折射層的雙折射Δn與總的物理厚度d的乘積。形狀雙折射層30的第一個(gè)樣品通過在玻璃襯底上交替沉積40個(gè)TiO2層和40個(gè)SiO2層來制備。每層的物理厚度為15nm。橢偏光譜儀被用于測(cè)量形狀雙折射層的第一個(gè)樣品的延遲。第一個(gè)樣品表現(xiàn)出具有208nm延遲的負(fù)雙折射，并且該樣品的普通光軸(不具有光學(xué)各向異性的軸)垂直于襯底。因此，形狀雙折射層的第一個(gè)樣品用作負(fù)雙折射c片。
計(jì)算形狀雙折射層的理論延遲。TiO2層和SiO2層的理論折射率分別為2.35和1.47。所計(jì)算的理論延遲為218nm，這基本上與測(cè)量值相同。測(cè)量值與計(jì)算值之間的差在誤差范圍之內(nèi)。圖4中所示的光譜透射率曲線表示形狀雙折射層在可視范圍內(nèi)是透明的。在所述圖表中波紋表示來自玻璃襯底與來自最上面的薄膜的反射光之間的干涉。通過在玻璃襯底和最上面的薄膜兩側(cè)提供防反射涂層，可以消除所述波紋。
與沒有形狀雙折射層的對(duì)比度(200∶1)相比，具有第一個(gè)樣品的液晶投影儀的最亮像素與最暗像素之間的對(duì)比度被提高到400∶1。此外，即使是在使用5000個(gè)小時(shí)之后，形狀雙折射層也不會(huì)退色。
所述形狀雙折射層不僅可以應(yīng)用到透射液晶投影儀，還可以應(yīng)用到反射液晶投影儀。如圖5所示，來自光源12的入射光通過阻斷濾波器13被變成白光。包括紅、綠和藍(lán)光的白光經(jīng)過聚焦光學(xué)系統(tǒng)35并且到達(dá)分色鏡36，在該分色鏡上僅反射紅光。在該分色鏡36和反射鏡37上被反射的紅光進(jìn)入具有偏振面38a的偏振光分束器38。偏振面38a改變紅色入射光的s偏振分量為線性偏振光，并面向延遲補(bǔ)償器40R和反射液晶器件41R反射線性偏振光。
類似地，通過分色鏡36的綠光被反射在分色鏡42上射向偏振光分束器43，從而線性偏振綠光進(jìn)入延遲補(bǔ)償器40G和反射液晶器件41G。通過分色鏡42的藍(lán)光進(jìn)入偏振光分束器44，其中線性偏振藍(lán)光被反射而射向延遲補(bǔ)償器40B和反射液晶器件41B。
反射液晶器件41R具有配置在偏振光分束器38相對(duì)側(cè)的TN液晶層和反射鏡。通過液晶器件41R的偏振光在反射鏡上被反射，從而使偏振光通過液晶器件41R兩次。從液晶器件41R發(fā)射的偏振光經(jīng)過延遲補(bǔ)償器40R并進(jìn)入偏振光分束器38。由于紅光的p偏振分量相對(duì)偏振面38a被線性偏振，線性偏振光可以通過偏振面38a并進(jìn)入顏色重組棱鏡24。當(dāng)施加電壓到液晶器件41R中的像素時(shí)，液晶分子改變線性偏振光的偏振方向，以便降低屏幕3上像素圖像的密度。顏色重組棱鏡24和投影透鏡系統(tǒng)25的結(jié)構(gòu)和功能與透射液晶投影儀中的重組棱鏡和投影透鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能相同。
形狀雙折射層的第二個(gè)樣品通過在玻璃襯底上交替沉積20個(gè)TiO2層和20個(gè)SiO2層來形成。每層的物理厚度為15nm。第二個(gè)樣品的測(cè)量延遲為102nm，這基本上與理論延遲(107nm)相同。與沒有形狀雙折射層的投影儀的對(duì)比度(150∶1)相比，在具有第一個(gè)樣品的反射液晶投影儀的最亮像素與最暗像素之間的對(duì)比度被提高到300∶1。
延遲補(bǔ)償器40R表現(xiàn)出補(bǔ)償由液晶器件41R中的液晶分子的雙折射效應(yīng)所引起的延遲的功能。在確定延遲補(bǔ)償器40R的延遲時(shí)，有必要考慮偏振光穿過液晶器件41R兩次。當(dāng)反射液晶器件位于離軸位置(入射光軸與發(fā)射光軸為不同的位置)時(shí)，延遲補(bǔ)償器46可以與液晶器件45平行，如圖6A所示。
延遲補(bǔ)償器46必須位于偏振器47的發(fā)射平面與檢偏器48的入射平面之間的光路上。由于延遲補(bǔ)償器46的位置改變使得光學(xué)特性實(shí)質(zhì)上沒有差別，因此延遲補(bǔ)償器46既可以位于液晶器件45的入射光軸上也可以位于發(fā)射光軸上。這樣，延遲補(bǔ)償器46的位置在考慮其他設(shè)計(jì)需求的情況下而確定。
延遲補(bǔ)償器49可以位于偏振器47與液晶器件45之間，如圖6B所示，或者位于液晶器件45與檢偏器48之間。此外，可以在液晶器件45的入射光軸與發(fā)射光軸上提供一對(duì)延遲補(bǔ)償器。在那種情況下，有必要設(shè)計(jì)每個(gè)延遲補(bǔ)償器的光學(xué)特性，以便這對(duì)延遲補(bǔ)償器整體表現(xiàn)出所需的延遲。
透射液晶器件可以與若干個(gè)微型透鏡50結(jié)合以提高像素的孔徑比，如圖7所示。在起偏振片53上提供若干個(gè)微型透鏡50作為偏振器。每個(gè)微型透鏡50對(duì)應(yīng)于通過像素電極52中的黑底部分62與其它像素分開的各個(gè)像素。通過微型透鏡50的會(huì)聚入射光經(jīng)過起偏振片53、第一延遲補(bǔ)償器54、玻璃襯底55、基電極56和調(diào)準(zhǔn)薄膜57到達(dá)液晶層58。入射光的偏振狀態(tài)通過液晶層58根據(jù)像素密度而改變。偏振光穿過調(diào)準(zhǔn)薄膜59、像素電極52、玻璃襯底51和第二延遲補(bǔ)償器60。然后，偏振光經(jīng)過作為檢偏器的起偏振片61向外部發(fā)射，其中偏振光的強(qiáng)度根據(jù)像素密度降低。
在該實(shí)施例中，在液晶器件的入射平面?zhèn)鹊牡谝谎舆t補(bǔ)償器54對(duì)于補(bǔ)償通過微型透鏡50斜著進(jìn)入液晶器件的入射光的延遲來說是有效的。此外，可以在發(fā)射平面?zhèn)忍峁┑诙舆t補(bǔ)償器60，如圖7所示。在此實(shí)施例中第一和第二延遲補(bǔ)償器54、60整體上表現(xiàn)出所需的延遲。應(yīng)當(dāng)注意，在圖2、5所示的實(shí)施例中的液晶器件可以與入射平面?zhèn)鹊奈⑿屯哥R和延遲補(bǔ)償器結(jié)合。
在上述實(shí)施例中，形狀雙折射層與液晶器件分離，但是也可以將形狀雙折射層加入液晶器件中。下面將描述具有形狀雙折射層的液晶器件的實(shí)施例。
在圖8中示出了一個(gè)具有這種用于紅、綠和藍(lán)的液晶器件111R、111G和111B的液晶投影儀的實(shí)施例。圖8中所示的液晶投影儀具有與圖2所示的實(shí)施例相同的結(jié)構(gòu)，除了液晶器件111R、111G和111B之外。此外，圖8所示的實(shí)施例不包括延遲補(bǔ)償器27R，27G和27B，因?yàn)橐壕骷?11R、111G和111B包含形狀雙折射層。因此，為了簡化，省略對(duì)共有部件的詳細(xì)說明。
如圖9所示，液晶器件111R為TFT(薄膜晶體管)有源矩陣類型。液晶器件111R包含被一對(duì)襯底131、132夾在中間的液晶層130。單個(gè)像素的像素電極側(cè)襯底131包括一個(gè)作為襯底主體的透明玻璃片133、薄膜晶體管134、透明像素電極135和定向薄膜136。多對(duì)薄膜晶體管134和像素電極135配置在矩陣內(nèi)玻璃片133的內(nèi)表面133a上。一對(duì)薄膜晶體管134和像素電極135對(duì)應(yīng)于一個(gè)紅色像素。內(nèi)表面133a上的定向薄膜136覆蓋若干對(duì)薄膜晶體管134和像素電極135。應(yīng)當(dāng)注意，分離像素電極135的黑底部分在像素電極側(cè)襯底131中形成，以便像素圖像的對(duì)比度提高。
公共電極側(cè)襯底132包括作為襯底主體的透明玻璃片137、形狀雙折射層138、透明公共電極139、定向薄膜140，它們按照所列的順序形成在玻璃襯底137上。
液晶器件111R具有與傳統(tǒng)的TFT型液晶器件具有相同的結(jié)構(gòu)，除了形狀雙折射層138之外。也就是說，薄膜晶體管134控制施加到像素電極135與公共電極139之間的液晶層130的電壓，以便通過起偏振片28R的發(fā)射光的光量根據(jù)液晶層130中液晶分子的取向的變化而變化。因此，可以控制像素圖像的密度。
形狀雙折射層138可以具有與用作第一實(shí)施例中的延遲補(bǔ)償器27R的形狀雙折射層相同的結(jié)構(gòu)。
橢圓偏振光的延遲根據(jù)相對(duì)液晶層130的入射角而改變。由于雙折射層138補(bǔ)償在延遲中的差異，因此具有較大孔徑值的光學(xué)系統(tǒng)可以與該液晶器件結(jié)合，而不會(huì)引起圖像對(duì)比度的降低。這樣，可以減少液晶器件的尺寸，以采用較大直徑的透鏡元件來提高入射光的效率，縮短光學(xué)路徑長度，以減少液晶投影儀的尺寸，使光學(xué)系統(tǒng)小一些以減少制造成本等等。
上述形狀雙折射層138可以設(shè)置在玻璃片137的內(nèi)表面137a、外表面(與內(nèi)表面137a相對(duì))或像素電極側(cè)襯底131上。形狀雙折射層138可以形成在所述電極與定向薄膜之間。此外，可以在玻璃片的兩個(gè)表面上形成一對(duì)形狀雙折射層138。
襯底131、132的結(jié)構(gòu)并不局限于圖9中所述的結(jié)構(gòu)。附圖10A-10C以及附圖11A-11C都是像素電極側(cè)襯底131的結(jié)構(gòu)的例子。附圖12A-12C以及附圖13A-13C是公共電極側(cè)襯底132的結(jié)構(gòu)的例子。對(duì)于基本上與圖9中的元件相同的元件使用相同的參考標(biāo)記，以便省略對(duì)那些元件的說明。應(yīng)當(dāng)注意，所述襯底的每個(gè)例子具有唯一的類型名，以便簡化說明。
在附圖10A中，類型為A0的像素電極側(cè)襯底131具有與圖9中所示相同的結(jié)構(gòu)。由于類型為A0的像素電極側(cè)襯底131沒有形狀雙折射層，因此具有形狀雙折射層138的公共電極側(cè)襯底132與類型為A0的襯底131結(jié)合。類型為A1的像素電極側(cè)襯底131，如圖10B所示，在玻璃片133的內(nèi)表面133a上具有形狀雙折射層138。薄膜晶體管134、像素電極135以及定向薄膜136以所列順序形成在形狀雙折射層138上。如圖10C所示，類型為A2的像素電極側(cè)襯底131在玻璃片133的外表面133b上具有形狀雙折射層138。在玻璃片133的內(nèi)表面133a上，薄膜晶體管134、像素電極135和定向薄膜136以此順序形成。
類型為A3的像素電極側(cè)襯底131，如圖11A所示，在像素電極135與定向薄膜136之間具有形狀雙折射層138。類型為A3的像素電極側(cè)襯底131通過在薄膜晶體管134和像素電極135上形成透明的平面層141(例如SiO2層)，然后通過在該平面層141上形成形狀雙折射層138來制備。定向薄膜136形成在形狀雙折射層138上。如圖11B所示，類型為A4的像素電極側(cè)襯底131在玻璃片133的兩個(gè)表面上具有兩個(gè)形狀雙折射層138。如圖11C所示，類型為A5的像素電極側(cè)襯底131在玻璃片133的內(nèi)表面?zhèn)染哂信c類型為A3的襯底(參見附圖11A)相同的結(jié)構(gòu)。此外，形狀雙折射層138形成在玻璃片133的外表面133b及其內(nèi)表面?zhèn)壬稀?br> 為了控制每個(gè)像素的密度，必須使這些像素電極135相互電絕緣。由介電材料(絕緣體)構(gòu)成的形狀雙折射層138不連接分開的像素電極135，即使形狀雙折射層138與像素電極135接觸。
如圖12A所示，類型為B0的公共電極側(cè)襯底132不具有形狀雙折射，因此具有形狀雙折射層138的像素電極側(cè)襯底131與類型為B0的公共電極側(cè)襯底132結(jié)合。如圖12B所示，類型為B1的公共電極側(cè)襯底132具有與圖12A所示相同的結(jié)構(gòu)，并且在玻璃片137的內(nèi)表面137a上具有形狀雙折射層138。公共電極139和定向薄膜140形成在形狀雙折射層138上。如圖12C所示，類型為B2的公共電極側(cè)襯底132在玻璃片137的內(nèi)表面?zhèn)染哂泄搽姌O139和定向薄膜140，并且在外表面137b上具有形狀雙折射層138。
在附圖13A中，類型為B3的公共電極側(cè)襯底132在公共電極139與定向薄膜140之間具有形狀雙折射層138。在玻璃片137的內(nèi)表面137a上形成公共電極139之后，在公共電極139上形成雙折射層138。然后，在形狀雙折射層138上形成定向薄膜140。類型為B4的公共電極側(cè)襯底132，如圖13B所示，在內(nèi)表面137a和外表面137b上都具有形狀雙折射層138。公共電極139和定向薄膜140形成在內(nèi)表面137a側(cè)。如圖13C所示，類型為B5的公共電極側(cè)襯底132在玻璃片137的內(nèi)表面?zhèn)染哂泄搽姌O139、形狀雙折射層138和定向薄膜140。此外，類型為B5的公共電極側(cè)襯底132在外表面137b上具有形狀雙折射層138。
除了上述層之外，襯底131、132也可以具有諸如黑底部分和絕緣層的其他層。例如，在薄膜晶體管134與像素電極135之間形成絕緣層142，如圖14所示。可以在具有絕緣層142的襯底上形成形狀雙折射層。
襯底131、132的組合的特性(制造成本、彎曲調(diào)整、延遲補(bǔ)償)在表1中示出。
表1

上述表1中，在公共側(cè)一欄中的數(shù)字“2”表示在公共電極側(cè)的玻璃片的兩個(gè)表面上形成形狀雙折射層。在公共側(cè)一欄中的數(shù)字“1”表示在玻璃片的一個(gè)表面上形成形狀雙折射。在公共側(cè)一欄中的數(shù)字“0”表示在玻璃片上不形成形狀雙折射?！俺杀尽睓谥械闹惦S著制造成本的增加而增加?！皬澢{(diào)整”欄表示調(diào)整襯底131、132彎曲的程度。襯底131、132的彎曲按照“好”、“良好”、“可以接受的”和“難”的等級(jí)進(jìn)行精確地調(diào)整。
對(duì)應(yīng)于組合編號(hào)的襯底131、132的組合在表2中示出。表2中的數(shù)字表示表1中所示的組合編號(hào)。
表2

如果用于投影儀的液晶器件的溫度通過照射強(qiáng)光而增加，則對(duì)比度的特性由于液晶分子的熱膨脹和雙折射的偏離而改變。如果襯底在高溫下極大地彎曲，則在液晶層上的對(duì)比度的均勻性被擾亂。因此，有必要考慮在熱起伏的情況下控制用于液晶投影儀的襯底的彎曲。
參考表1發(fā)現(xiàn)，在襯底131、132上至少有一個(gè)形狀雙折射層在延遲補(bǔ)償方面是優(yōu)選的。為了控制襯底131、132的彎曲，最好在至少一個(gè)襯底的兩個(gè)表面上提供兩個(gè)形狀雙折射層。更可取的是，在每個(gè)襯底的兩個(gè)表面上都設(shè)置形狀雙折射層。
類型為A3、A5的像素電極側(cè)襯底131和類型為B3、B5的公共電極側(cè)襯底132在電極和玻璃片(襯底主體)之間具有形狀雙折射層138。這種配置在使電極絕緣方面是較好的，因?yàn)樾螤铍p折射層138是由介電材料構(gòu)成的。但是，具有這種配置的襯底具有以下缺點(diǎn)。
為了連接電極到外部電子電路，液晶器件必須在圖像顯示區(qū)之外具有一個(gè)電極區(qū)，其中電極不被形狀雙折射層覆蓋。通過光刻法和蝕刻處理以部分地消除形狀雙折射層，或者通過掩膜沉積處理而不在所述區(qū)域中形成形狀雙折射層來暴露電極，可以形成這種電極區(qū)。但是，通過光刻法和蝕刻處理形成電極區(qū)是很困難的，因?yàn)樵谛螤铍p折射層中的兩類薄膜具有不同的蝕刻特性。在通過掩膜沉積處理形成電極區(qū)時(shí)，沉積條件需要根據(jù)液晶器件的設(shè)計(jì)而改變。此外，在像素電極與公共電極之間形成形狀雙折射層的情況下，有必要考慮施加到液晶層中的電壓根據(jù)形狀雙折射的電容而變化。
類型為A1、A3、A4、A5的像素電極側(cè)襯底131和類型為B1、B3、B4、B5的襯底在玻璃片的內(nèi)表面上具有形狀雙折射層138。在那種情況下，形狀雙折射層138的兩個(gè)表面與具有高于空氣的折射率的材料接觸，這樣在界面處的反射比高于在空氣與延遲補(bǔ)償器之間的界面處的反射比。因此，在內(nèi)表面上的形狀雙折射層138在消除防反射層和防止形狀雙折射層138上的裂縫之方面具有優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)類型為A2、A4、A5的像素電極側(cè)襯底131和類型為B2、B4、B5的襯底用于液晶器件時(shí)，在玻璃片的外表面上的形狀雙折射層138可以用透明保護(hù)層覆蓋。
由于液晶器件在玻璃片(襯底)上具有形狀雙折射層，液晶層與形狀雙折射層的入射光的入射角變?yōu)橄嗤?。因此，與其中形狀雙折射層和襯底相分離的液晶器件相比，可以有效地補(bǔ)償延遲。此外，與由聚合物構(gòu)成的延遲補(bǔ)償器相比，可以較容易地形成對(duì)液晶器件中的熱或紫外線光具有高阻抗的無機(jī)形狀雙折射層。
液晶器件可以與微型透鏡陣列組合。在圖15所示的一個(gè)例子中，液晶器件在入射平面?zhèn)染哂幸粋€(gè)微型透鏡陣列150。微型透鏡陣列150由多個(gè)微型透鏡150a構(gòu)成，每個(gè)微型透鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。微型透鏡150a可以通過利用離子交換技術(shù)在玻璃片中產(chǎn)生折射率分布而形成。或者，微型透鏡150a通過改變玻璃或樹脂板的形狀為透鏡元件來制備。微型透鏡150a可以使入射光聚集，以補(bǔ)償由劃分像素電極135的黑底部分(未示出)引起的孔徑比的降低。
由微型透鏡矩陣150聚集的線性偏振入射光經(jīng)過玻璃片137、形狀雙折射層138、公共電極139和定向薄膜140到達(dá)液晶層130。然后，線性偏振光穿過定向薄膜136、像素電極135、玻璃片133和作為檢偏器的起偏振片。在此例中，由于入射光斜著通過微型透鏡150a進(jìn)入液晶層130，因此補(bǔ)償斜向入射光的延遲的形狀雙折射層138有效地與微型透鏡陣列150組合。
附圖16表示與微型透鏡陣列150組合的液晶器件的另一個(gè)例子。在此例中，形狀雙折射層138形成在玻璃片137的外表面137b上。微型透鏡陣列150可以與類型為A0-A5的襯底131和類型為B0-B5的襯底132組合。
透射液晶器件的一個(gè)樣品是通過以下過程制備的。首先，通過利用電子束沉積方法將46個(gè)TiO2層和46個(gè)SiO2層交替沉積在玻璃襯底上，形成形狀雙折射層。每層的厚度為15nm。玻璃片的厚度為0.7nm。形狀雙折射層具有1.38μm的厚度，并且對(duì)具有550nm波長的采樣光表現(xiàn)出具有310nm延遲的負(fù)雙折射。在形狀雙折射層上沉積厚度為100nm的ITO(氧化銦錫)層，以形成公共電極。然后，通過研磨用于定向薄膜的聚酰亞胺樹脂薄膜的表面，形成ITO層上的定向薄膜，以便制備出公共電極側(cè)襯底。
通過和像素電極陣列形成玻璃片(厚度為0.7mm)上的研磨的聚酰亞胺定向薄膜，制備像素電極側(cè)襯底。公共電極側(cè)襯底與像素電極側(cè)襯底粘合，使得定向薄膜的研磨方向相互垂直。最后，在襯底之間注入具有正介電各向異性的液晶，并且將微型透鏡附著在襯底的外表面上。從而產(chǎn)生TN型液晶器件。
與沒有形狀雙折射層的液晶器件的對(duì)比度(350∶1)相比，該反射液晶器件的最亮像素與最暗像素之間的對(duì)比度已提高到550∶1。
形狀雙折射層不僅可以應(yīng)用到透射液晶投影儀中，而且可以應(yīng)用到反射液晶投影儀中。如圖17所示，來自光源12的入射光通過阻斷濾波器13變成白光。包括紅、綠和藍(lán)光的白光通過聚焦光學(xué)系統(tǒng)35，到達(dá)在其上僅反射紅光的分色鏡36。在該分色鏡36和反射鏡37上反射的紅光進(jìn)入具有偏振面38a的偏振光分束器38。偏振面38a改變紅色入射光的S-偏振分量為線性偏振光，并且向反射液晶器件161R反射線性偏振光。應(yīng)當(dāng)注意，相同的參考標(biāo)記用于基本上與上述實(shí)施例中相同的元件。
類似地，通過分色鏡36的綠光被反射在分色鏡42上，射向偏振光分束器43，以便線性偏振綠光進(jìn)入反射液晶器件161G。通過分色鏡42的藍(lán)光進(jìn)入偏振光分束器44，其中線性偏振藍(lán)光被反射到反射液晶器件161B。
在附圖18中，反射液晶器件161R的一個(gè)例子在一對(duì)襯底132、165之間具有液晶層130。類型為B1的公共電極側(cè)襯底132與以上所述的相同。類型為C0的襯底165包括作為襯底主體的不透明硅層166、每個(gè)像素的像素電路167和像素電極168。在硅層166中形成的像素電路電連接到像素電極168以控制液晶層130的電壓。像素電極168由具有高反射率的材料例如鋁和銀構(gòu)成，以反射通過液晶層130的光。絕緣層169形成在硅層166和像素電極168之間。在像素電極168上設(shè)置定向薄膜171以覆蓋像素電極168和絕緣層169。
通過形狀雙折射層138和液晶層130的偏振光被反射在像素電極169上。當(dāng)再次通過液晶層130和形狀雙折射層138之后，偏振光進(jìn)入偏振光分束器38。由于紅光的p偏振分量相對(duì)偏振面38a被線性偏振，線性偏振光可以通過偏振面38a并進(jìn)入顏色重組棱鏡24。當(dāng)施加電壓到液晶器件41R中的像素時(shí)，液晶分子改變線性偏振光的偏振方向，以便降低屏幕3上像素圖像的密度。顏色重組棱鏡24和投影透鏡系統(tǒng)25的結(jié)構(gòu)和功能與透射液晶投影儀中的相同。
在確定形狀雙折射層138的延遲特性時(shí)，有必要考慮到偏振光通過形狀雙折射層138兩次。反射液晶器件可以位于離軸位置(例如參見圖6A、6B)。
像素電極側(cè)的襯底165可以具有形狀雙折射層138，如圖19所示。在該例中，形狀雙折射層138形成在像素電極168與定向薄膜171之間。也可以將類型為C0，C1的襯底165(參見附圖18，19)與類型為B0-B5的公共電極側(cè)襯底132組合。應(yīng)當(dāng)注意，附圖18中的襯底165沒有與類型為B0的公共電極側(cè)襯底132組合，因?yàn)樵摻M合不包括形狀雙折射層138。
像素電極側(cè)襯底165與公共電極側(cè)襯底132的組合的特性(制造成本、彎曲調(diào)整、延遲補(bǔ)償)在表3中示出。應(yīng)當(dāng)注意，“類型C0”指示圖18中所示的像素電極側(cè)襯底165，并且“類型C1”指示圖19中所示的像素電極側(cè)襯底165。
表3

應(yīng)當(dāng)注意，在“延遲補(bǔ)償”欄中的估值按照“良好”、“合格”和“差”分類。對(duì)應(yīng)于組合編號(hào)的襯底131、132的組合在表4中示出。表2中的數(shù)字表示表1中所示的組合編號(hào)。
表4

反射液晶器件可以通過將一個(gè)反射片附著在透射液晶器件的一側(cè)上來制備。
反射液晶器件的樣品通過以下方式制造。首先，通過和像素電極形成在硅層上垂直取向的研磨聚酰亞胺定向薄膜，制備像素電極側(cè)襯底。然后，通過在玻璃片上形成形狀雙折射層和ITO(氧化錫銦)層作為公共襯底，并在ITO層上形成垂直取向的研磨聚酰亞胺定向薄膜，制備公共電極側(cè)襯底。玻璃片、形狀雙折射層及ITO層的物理特性與透射液晶器件的相同。公共電極側(cè)襯底與像素電極側(cè)襯底粘合，以便定向薄膜的研磨方向相互垂直。最后，在襯底之間注入具有負(fù)介電各向異性的液晶，以便生成VA(垂直對(duì)準(zhǔn))型的液晶器件。
與沒有形狀雙折射層的液晶器件的對(duì)比度(500∶1)相比，該反射液晶器件的最亮像素與最暗像素之間的對(duì)比度已提高到900∶1。
在本發(fā)明中的液晶投影儀可以具有各種類型的無機(jī)形狀雙折射層作為延遲補(bǔ)償器、或除了多個(gè)薄膜外的形狀雙折射層(參見附圖3)。圖3所示的延遲補(bǔ)償器是一個(gè)負(fù)單軸雙折射c片的例子，其光學(xué)全向軸垂直于玻璃襯底的表面。如圖20所示，可以使用具有多個(gè)配置在玻璃襯底66頂面上的透明隆起部67的形狀雙折射層70(在反射液晶器件中的不透明硅襯底)。每個(gè)隆起部67具有基本上為矩形的平行六面體形狀。
厚度d、高度h和相鄰兩個(gè)隆起部67之間的間隙比入射光的波長λ足夠小。例如，形狀雙折射層70的光學(xué)厚度優(yōu)選從λ/100至λ/5，更優(yōu)選是從λ/50至λ/5，尤其是從λ/30到λ/10。不具有光學(xué)各向異性的光學(xué)各向同性軸70a在平行于玻璃襯底66的頂面66a的方向上擴(kuò)展。形狀雙折射層70表現(xiàn)光學(xué)特性為a片，并且其定位使得玻璃片66的頂面66a垂直于照射軸或投影軸。隆起部67的配置使得折射率按照空氣和隆起部67沿著平行于光學(xué)各向同性軸70a的方向分布。
在玻璃襯底上的隆起部可以不與玻璃襯底垂直。附圖21表示一個(gè)形狀雙折射層72的例子，具有的多個(gè)透明隆起部67傾斜于玻璃襯底66的頂面66a。光學(xué)各向同性軸72a在傾斜于玻璃襯底66的頂面66a的方向上延伸。隆起部71的配置產(chǎn)生垂直于照射軸或投影軸的平面內(nèi)的按照空氣和隆起部71的一維折射率分布。形狀雙折射層72的定位使得玻璃片66的頂面66a垂直于照射軸或投影軸。因此，形狀雙折射層72表現(xiàn)出負(fù)單軸雙折射o-片的光學(xué)特性，且其光學(xué)各向同性軸傾斜于玻璃襯底66的頂面66a。
圖20、21所示的隆起部67、71通過光刻法和蝕刻處理形成。應(yīng)當(dāng)注意，隆起部67、71的高度h相對(duì)于其寬度d的縱橫比需要足夠大，以便獲得負(fù)單軸雙折射效應(yīng)。如果所述縱橫比不足夠大，則形狀雙折射層70、72變成雙軸雙折射體，其中在折射率橢圓體中的折射率(nx，ny，nz)完全不同。
當(dāng)隆起部的縱橫比極其小時(shí)，形狀雙折射層75變成正雙折射a片，如圖22所示。形狀雙折射層75在玻璃襯底66上具有以某一間隔成直線排列的若干個(gè)透明介電隆起部74。隆起部74的寬度W、高度h和間隔比入射光的波長小很多，正如在以上實(shí)施例中所描述的。形狀雙折射層75的延遲值是隆起部74的高度h與折射率的乘積。光學(xué)各向同性軸75a在平行于隆起部74的方向上延伸。隆起部74的配置使得一維折射率按照空氣和隆起部在垂直于照射軸或投影軸的平面內(nèi)的分布。形狀雙折射層75的定位使得玻璃片66的頂面66a垂直于照射軸或投影軸。
當(dāng)隆起部74的高度h變得大于入射光的波長時(shí)，形狀雙折射層75變成雙軸的雙折射體。如果隆起部74的高度變成比該波長大得多，則形狀雙折射層75表現(xiàn)出負(fù)雙折射c片的光學(xué)特性。應(yīng)當(dāng)注意，兩個(gè)隆起部74之間的間隙可以用具有與隆起部74不同折射率的介電材料填充。
可以使用正雙折射c片作為本發(fā)明的形狀雙折射層。如圖23所示，形狀雙折射層77在玻璃襯底66上具有以某些間隔排列的若干個(gè)透明介電支柱76。每個(gè)介電支柱76具有基本上為矩形的平行六面體形狀。介電支柱76的大小和間隔比入射光的波長小得多。形狀雙折射層77的定位使得玻璃片66的頂面66a垂直于照射軸或投影軸。光學(xué)各向同性軸77a垂直于玻璃襯底66的頂面66a。支柱76的配置使得二維折射率按照空氣和支柱在垂直于照射軸或投影軸的平面內(nèi)分布。支柱76通過光刻法和蝕刻處理形成。應(yīng)當(dāng)注意，支柱76之間的間隙可以用具有與支柱76不同折射率的介電材料填充。
附圖24示出了正雙折射o片作為形狀雙折射層80的另一個(gè)例子，其中在玻璃襯底66上有規(guī)則地配置若干個(gè)透明介電支柱81。介電支柱81以預(yù)定角度傾斜于玻璃襯底66。介電支柱81的大小和間隔比入射光的波長小得多。支柱81之間的間隙可以用具有與支柱8不同折射率的介電材料填充。形狀雙折射層80的光軸80a傾斜于玻璃襯底66的頂面66a。可以通過光刻法和蝕刻處理形成所述支柱81。
正雙折射o片可以通過在玻璃襯底66上斜向沉積一種介電材料來形成(參見附圖25)，正如在美國專利No.5638197中所述的。應(yīng)當(dāng)注意，附圖25中的斜線并不描述相鄰薄膜層84之間的邊界。形狀雙折射層83的定位使得玻璃片66的頂面66a垂直于照射軸或投影軸。因此，斜的薄膜層84表現(xiàn)為正雙折射o片。
在上述實(shí)施例中，無機(jī)延遲補(bǔ)償器的定位使得玻璃襯底66的頂面66a垂直于照射軸或投影軸。延遲補(bǔ)償器可以傾斜于照射軸或投影軸，以便更加有效地補(bǔ)償延遲。偏向角度優(yōu)選小于或等于45°，更優(yōu)選的是小于或等于10°，最優(yōu)選的是小于或等于5°。也可以提供多于1個(gè)、少于11個(gè)的延遲補(bǔ)償器。優(yōu)選的是，組合多于1個(gè)、少于5個(gè)的延遲補(bǔ)償器。多個(gè)延遲補(bǔ)償器可以傾斜于照射軸或投影軸。此外，延遲補(bǔ)償器的偏向角度可以相互不同。
多個(gè)不同類型的延遲補(bǔ)償器可以被組合。例如，負(fù)c片、負(fù)o片和正a片的組合使得可以更有效地補(bǔ)償延遲，以便提高屏幕上的圖像對(duì)比度。延遲補(bǔ)償器可以應(yīng)用到除透射TN型之外的其它類型的液晶器件中。液晶器件的例子有反射TN型、ECB(電控雙折射)型、VA(垂直對(duì)準(zhǔn))型、OBC(光學(xué)補(bǔ)償彎曲)型和FLC(鐵液晶)型。本發(fā)明還可應(yīng)用于例如離軸型和微型透鏡型的液晶投影儀中，其中入射光斜著進(jìn)入液晶器件。
在通過沉積或噴涂由薄膜構(gòu)成延遲補(bǔ)償器時(shí)，襯底可以固定在光學(xué)部件(例如照明或投影透鏡系統(tǒng)的透鏡元件)以及液晶器件的玻璃襯底上。在這種光學(xué)部件上形成用于延遲補(bǔ)償器的薄膜在減少光學(xué)部件和調(diào)節(jié)光學(xué)部件的位置和角度的調(diào)準(zhǔn)過程方面是有效的。
延遲補(bǔ)償器可以附加在液晶器件襯底的內(nèi)表面上或在外表面上。為了減少空氣與延遲補(bǔ)償器之間的分界面反射，延遲補(bǔ)償器最好附加在內(nèi)表面上。這種延遲補(bǔ)償器的配置可以有效地減少漏光或圖像質(zhì)量的退化。
相位補(bǔ)償器可以附加到具有施加電壓的像素電極的有源側(cè)襯底或具有公共電極的相對(duì)側(cè)襯底。如果需要，最好在相位補(bǔ)償器的一側(cè)或兩側(cè)上具有防反射涂層。在形成薄膜為延遲補(bǔ)償器時(shí)，作為防反射涂層的干涉薄膜很容易形成。
在薄膜型延遲補(bǔ)償器中每層的厚度不必相同。液晶投影儀中的延遲補(bǔ)償器并不局限于具有交替沉積在襯底上的兩種薄膜的補(bǔ)償器。例如，也可以沉積具有不同折射率的兩種以上的薄膜。厚度和沉積順序可以考慮制作方便性、每層中的內(nèi)應(yīng)力、薄膜折射率的波長相關(guān)性等等來確定。也可以組合上述形狀雙折射層和具有聚合物薄膜的延遲補(bǔ)償片作為襯底。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明可以應(yīng)用于將圖像投影到屏幕上的液晶投影儀。
權(quán)利要求
1.一種透射液晶投影儀，具有至少一個(gè)液晶器件和一個(gè)投影光學(xué)系統(tǒng)，所述液晶器件將來自光源的照射光改變?yōu)閳D像光，所述投影光學(xué)系統(tǒng)將所述圖像光聚焦到屏幕上，所述照射光被引導(dǎo)到所述液晶器件的入射平面，并且所述圖像光從相對(duì)于所述入射平面的發(fā)射平面發(fā)出，所述液晶投影儀包括偏振器，設(shè)置在所述液晶器件的所述入射平面?zhèn)?；檢偏器，設(shè)置在所述液晶器件的所述發(fā)射平面?zhèn)?；和無機(jī)形狀雙折射層，設(shè)置在所述入射平面?zhèn)群退霭l(fā)射平面?zhèn)戎械闹辽僖粋?cè)、所述偏振器與所述檢偏器之間。
2.如權(quán)利要求1所述的液晶投影儀，其中，所述形狀雙折射層為多個(gè)薄膜，所述薄膜包括交替層疊的具有不同折射率的至少兩種薄膜層。
3.如權(quán)利要求2所述的液晶投影儀，其中，所述薄膜層的光學(xué)厚度是從λ/100到λ/5，其中λ是進(jìn)入所述液晶器件的所述照射光的波長。
4.如權(quán)利要求1所述的液晶投影儀，其中，所述形狀雙折射層是多個(gè)雙折射構(gòu)件，它們被配置成在垂直于所述照射光或所述圖像光的光軸的平面中呈現(xiàn)一維或二維折射率分布。
5.如權(quán)利要求4所述的液晶投影儀，其中，所述雙折射構(gòu)件傾斜于所述照射光或所述圖像光的光軸。
6.一種反射液晶投影儀，具有至少一個(gè)液晶器件和一個(gè)投影光學(xué)系統(tǒng)，所述液晶器件將來自光源的照射光改變?yōu)閳D像光，所述投影光學(xué)系統(tǒng)將所述圖像光聚焦到屏幕上，所述照射光被引導(dǎo)到所述液晶器件的入射平面，并且所述圖像光從所述入射平面發(fā)出，所述液晶投影儀包括偏振器，設(shè)置在所述液晶器件的所述入射平面?zhèn)?，所述偏振器用作?duì)所述圖像光的檢偏器；和無機(jī)形狀雙折射層，設(shè)置在所述偏振器和所述液晶器件之間。
7.如權(quán)利要求6所述的液晶投影儀，其中所述形狀雙折射層為多個(gè)薄膜，所述薄膜包括交替層疊的具有不同折射率的至少兩種薄膜層。
8.如權(quán)利要求7所述的液晶投影儀，其中，所述薄膜層的光學(xué)厚度為從λ/100至λ/5，其中λ為進(jìn)入所述液晶器件的所述照射光的波長。
9.如權(quán)利要求6所述的液晶投影儀，其中所述形狀雙折射層是多個(gè)雙折射構(gòu)件，它們被配置成在垂直于所述照射光或所述圖像光的光軸的平面中呈現(xiàn)一維或二維折射率分布。
10.如權(quán)利要求9所述的液晶投影儀，其中所述雙折射構(gòu)件傾斜于所述照射光或所述圖像光的光軸。
11.一種液晶投影儀，具有至少一個(gè)液晶器件和一個(gè)投影光學(xué)系統(tǒng)，所述液晶器件將來自光源的照射光改變?yōu)閳D像光，所述投影光學(xué)系統(tǒng)將所述圖像光聚焦到屏幕上，所述液晶器件具有在一對(duì)襯底主體之間的一個(gè)液晶層、在所述襯底主體上形成的定向薄膜和電極，所述液晶投影儀包括無機(jī)形狀雙折射層，形成在至少一個(gè)襯底主體的至少一個(gè)表面上，所述形狀雙折射層補(bǔ)償穿過所述液晶層的光的延遲。
12.如權(quán)利要求11所述的液晶投影儀，其中所述形狀雙折射層為多個(gè)薄膜，所述薄膜包括交替層疊的具有不同折射率的至少兩種薄膜層。
13.一種液晶器件，具有在一對(duì)襯底主體之間的一個(gè)液晶層、形成在所述襯底主體上的定向薄膜和電極，所述液晶器件包括無機(jī)形狀雙折射層，形成在至少一個(gè)襯底主體的至少一個(gè)表面上，所述形狀雙折射層補(bǔ)償穿過所述液晶層的光的延遲。
14.如權(quán)利要求13所述的液晶投影儀，其中所述形狀雙折射層為多個(gè)薄膜，所述薄膜包括交替層疊的具有不同折射率的至少兩種薄膜層。
15.一種用于密封液晶層的液晶器件的襯底，所述襯底具有形成在所述襯底主體的內(nèi)表面?zhèn)壬系亩ㄏ虮∧ず碗姌O，所述襯底包括無機(jī)形狀雙折射層，形成在所述襯底主體的內(nèi)表面?zhèn)群屯獗砻鎮(zhèn)戎械闹辽僖粋?cè)，所述形狀雙折射層補(bǔ)償穿過所述液晶層的光的延遲。
16.如權(quán)利要求15所述的液晶器件的襯底，其中所述形狀雙折射層為多個(gè)薄膜，所述薄膜包括交替層疊的具有不同折射率的至少兩種薄膜層。
17.如權(quán)利要求16所述的液晶器件的襯底，其中所述多個(gè)薄膜包括交替層疊的具有高折射率的若干個(gè)第一薄膜和具有低折射率的若干個(gè)第二薄膜。
18.如權(quán)利要求15所述的液晶器件的襯底，其中所述形狀雙折射層形成在所述襯底主體的內(nèi)表面上。
19.如權(quán)利要求15所述的液晶器件的襯底，其中所述形狀雙折射層形成在所述襯底主體的外表面上。
20.如權(quán)利要求15所述的液晶器件的襯底，其中所述形狀雙折射層形成在所述襯底主體的外表面和內(nèi)表面上。
全文摘要
紅色入射光被反射在反射鏡(19)上，并由偏振器(26R)線性偏振。線性偏振入射光進(jìn)入透射液晶器件(11R)，其中斜入射光被改變成橢圓偏振光。液晶器件(11R)與檢偏器(28R)之間的延遲補(bǔ)償器(27R)具有無機(jī)形狀雙折射層。延遲補(bǔ)償器(27R)產(chǎn)生雙折射效應(yīng)以改變橢圓偏振光為線性偏振光。來自延遲補(bǔ)償器(27R)的線性偏振光可以通過檢偏器(28R)而不減小強(qiáng)度，并進(jìn)入顏色重組棱鏡(24)。液晶器件(11R)可以具有無機(jī)形狀雙折射層。綠光和藍(lán)光中的延遲也以相同方式進(jìn)行補(bǔ)償。在顏色重組棱鏡(24)中被混合的紅、綠和藍(lán)色圖像光通過一個(gè)投影透鏡系統(tǒng)(25)被投影到屏幕(3)上。
文檔編號(hào)G02F1/13363GK1669334SQ0381724
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月19日
發(fā)明者中川謙一 申請(qǐng)人:富士膠片株式會(huì)社