CN101164010A - 双稳态扭曲向列(btn)液晶显示设备 - Google Patents

双稳态扭曲向列(btn)液晶显示设备 Download PDF

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CN101164010A
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扎克沙里亚·宰纳提
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Abstract

本申请涉及一种双稳态扭曲向列(BTN)液晶显示设备，其包括：厚度为d、双折射为Δn和延迟为Δnd的液晶层(150)，所述液晶层位于两个基底(120，180)之间以及第一和第二偏振器(100，200)之间，在不存在外加电场的情况下所述液晶层(150)具有两个稳定或亚稳定的一致扭曲结构；以及至少一个包含至少一个双折射膜的补偿层(110，190)，所述双折射膜具有由沿着折射率椭球的三个相应的轴x，y，z的三个特征折射率nx，ny，nz定义的光学各向异性，x和y位于基底平面内，将nx和ny称作面内折射率，且nx＞ny，将x称作慢轴，z垂直于基底平面，且双轴性参数Nz等于(nx－nz)/(nx－ny)，其特征在于，Nz位于－∞与1之间，使得在倾斜观察时，补偿与黑暗状态相对应的稳定或亚稳定结构的延迟以改进对比度系数，同时修正与明亮状态相对应的稳定或亚稳定结构的延迟以减小色移。

Description

双稳态扭曲向列(BTN)液晶显示设备
技术领域
本发明涉及液晶显示器(LCD，liquid crystal display)的领域，尤其涉及一种改进以倾斜角度观看时的双稳态扭曲向列(BTN，bistable twistednematic)液晶显示器的光学性能的方法。
背景技术
LCD的视角问题
向列液晶(LC，liquid crystal)分子形成光轴与液晶的指向矢平行的单轴双折射介质。几乎所有已知的向列液晶都具有非常折射率大于普通折射率的正光学各向异性。通常，针对垂直通过到达单元基底的光优化LCD的光学性质。对于以倾斜角θ入射的光，液晶的双折射以与对于正常入射(normalincidence)的光的方法不同的方法修正光偏振的状态。这可能引起例如在黑暗状态下光泄漏量的增大，使倾斜视角时的对比度劣化。显示器明亮状态的颜色也可以依赖于倾斜视角而改变。LCD的光学性能随着视角的变化是因液晶的双折射特性引起的LCD的固有问题。
双折射层
已经进行了大量工作来改进倾斜视角时LCD的光学性能。该工作主要集中于使用称作补偿膜的外部双折射层，以便消除以倾斜角度观看时LCD在黑暗状态下的双折射。双折射介质是具有折射率各向异性的介质。在多数通常情况下，介质是双轴的并且由折射率椭球(图1)充分描述。沿着椭球的三个轴(x，y，z)的三个不同的折射率(nx，ny，nz)定义介质的光学性质。根据惯例，我们选择垂直于玻璃基底平面的z轴以及基底平面内的x和y轴(面内轴)。
当例如通过拉伸塑料膜实现双轴介质时，z轴垂直于薄片且x和y轴在薄片平面内。如果两个面内折射率相等，nx＝ny，则介质是单轴的并且z轴是垂直于膜平面的光轴。在该情况下，单轴膜称作C板。对于nz＞nx＝ny，C板是正性(C+)。如果面内折射率的任意一个(nx或ny)与面外折射率nz相等，则膜是单轴的并且光轴平行于膜平面。在该情况下，单轴膜称作A板。对于nx＞ny＝nz，A板是正性(A+)。在图2a和2b中说明这种C板和A板，其中单轴膜板称为1。
一种表征双轴介质的常见方法是通过定义为Nz＝(nx-nz)/(nx-ny)且nx＞ny的Nz参数。典型地，与较大的面内折射率(对于我们是nx)相对应的轴称作慢轴，与较小的面内折射率(对于我们是ny)相对应的轴称作快轴。选择nx＞ny是任意的选择，仅为了区分较大和较小的面内折射率。
表1概述不同种类的双折射介质以及其相关Nz值。
表1：Nz与双折射介质类型之间的关系
Nz -∞  0  1 +∞
nz＞nx＝ny  nz＞nx＞ny  nx＝nz＞ny nx＞nz＞ny  nx＞ny＝nz nx＞ny＞nz nx＝ny＞nz
C+  双轴  A- 双轴  A+ 双轴 C-
将例如nx＝ny＝no的单轴介质的光学延迟R定义为R＝(nz-no)·d，其中d是单轴膜的厚度。光学延迟通常以纳米或nm为单位给出。双轴膜由两个延迟值例如(nx-ny)·d和(nx-nz)·d表征。
单轴A板和C板也可以由一致对准的液晶分子构成。向列液晶是单轴正性，从而可以依赖于光轴平行或垂直于基底平面定向来形成A+或C+板。盘状液晶(Discotic liquid crystal)是单轴负性，从而可以依赖于光轴平行或垂直于基底平面定向来形成A-或C-板。这些双折射定向的液晶层可以包含在两个基板之间，或者这些双折射定向的液晶层可以包括形成它们自己的独立定向膜的聚合液晶。已知另一种延迟膜，其可以通过将某种类型的感光聚合物暴露于偏振光而产生，其可以位于包含活性液晶材料的基板的内表面上。已知另一种延迟膜，其可以通过涂覆工艺沉积在基底表面上(Lazarev等，1991，SID Digest of Technical Papers p 571-3)。
当前市场上可获得的偏振膜由层压在两个塑料载体基底之间的定向吸收染料或碘薄片制成。
几乎所有市场上可买到的偏振器都使用三醋酸纤维素(TAC，Tri AcetylCellulose)作为载体基底，其已知为具有负光学各向异性的单轴或非常轻微双轴的膜(Han，Journal of the SID，3/1，1995，pl5)。图3显示设置在吸收/偏振层14的任意一面上的两个TAC基底C-板10和12。TAC膜的光轴垂直于层的平面，所以它是负性C板，具有-40nm至-55nm的典型延迟。该类型的偏振器涂有压敏粘合剂(PSA，pressure sensitive adhesive)并且打算层压在包含液晶材料的基板的外侧。
已知可以涂覆在包含液晶材料的基板内侧的其他偏振膜(Ohyama等，2004，SID Digest of Technical Papers，p1106-1109)。在该情况下，不存在TAC层。如果偏振器涂覆在基板的内侧，它可以位于电极的下面或者电极的上面。
双折射膜可以粘合在偏振器基底上，但是也可以集成到偏振器中，意味着双折射膜变成偏振器的基底中的一个。
单稳态显示器
最常用的液晶显示模式是90°扭曲向列(TN，Twisted Nematic)模式。在不存在外加电场的情况下，液晶分子平行于基板并且采用将偏振光平面旋转90°的90°扭曲结构。当施加电场时，分子根据场强倾斜而离开先前的平面，并且层展开为不旋转偏振光平面的状态。当这种层位于两个交叉偏振器之间时，例如，显示传输将根据外加电压而变化。当去除电场时，液晶层返回到其原始的90°扭曲结构(texture)。
TN显示器是单稳态显示器的一个实例，这意味着如果关闭电源控制，则因为液晶返回到它的唯一单稳态结构，所以不显示图像并且屏幕出现空白。即使图像自身不变，为了看到图像，也必须连续更新单稳态显示器。这对于为便携式装置设计的显示器是不利的，因为连续更新显示器需要相当量的电能，这对电池使用寿命带来过度损伤。
超扭曲向列(STN，supertwisted nematic)显示器是另一种类型的单稳态TN液晶显示器。在不存在电场的情况下，其具有大约240°的扭转角。与90°TN显示器一样，外加电场的强度控制液晶分子倾斜离开平面的角度。
近来，已经开发了其他LCD模式，例如OCB(光学补偿双折射，OpticallyCompensated Birefringence)或VA(垂直对准，Vertically Aligned)。
补偿单稳态显示器以增大倾斜视角的范围
众所周知，可以用专用补偿膜光学补偿每个LC模式。为了补偿每个LC模式必须优化双折射膜的具体参数：双折射膜的数量和类型(单轴C或A板，正性或负性，双轴)，以nm为单位的延迟值(对于单轴为一个延迟值，对于双轴为两个延迟值)，单轴板的光轴的角度定向或双轴板的折射率椭球轴。关于LC模式的光学补偿已经发表了许多文献，并且CIB class 1/13363特别专用于该题目。
在Han，Journal of the SID，3/1，1995，pl5的出版物中，记载了商用偏振膜的TAC层中存在的负光学各向异性实际地提高了TN显示器的视角特性。为了进一步提高TN显示器的视角特性，Mori提出使用由遍及模拟驱动TN单元的边界附近的液晶指向矢定向的层上的、具有非一致外扩光轴定向的聚合负双折射盘状液晶分子制成的补偿层，来补偿显示器的黑色驱动状态(Mori IDW’96，p189或Jpn.J.Appl.Phys，36，1997，p143)。
通常使用单轴拉伸的聚合物膜补偿STN显示器。这些双折射膜的主要目的在于去除固有STN着色并且使得像素能够从黑色变换成白色，如果要使用彩色镶嵌滤波器实现全色显示，则是先决条件。补偿膜也改进了视角范围，但是该范围不会与补偿TN显示器一样宽。
可以使用Nz＞1且具有适合于OCB LC模式的特定延迟的双轴膜补偿OCB显示器(C.L Kuo等，SID 94，p927-930，参看p928表3)。在该出版物中，为了计算Nz，在Nz公式中考虑基底平面中的较大折射率是重要的：
Nz＝[n(较大面内折射率)-nz]/[n(较大面内折射率)-n(较小面内折射率)]
在本发明中，常规是nx为较大面内折射率且ny为较小面内折射率，nx＞ny(任意选择)。在引用的出版物中，较大面内折射率称作ny。因此，在出版物中，为了应用我们的公式计算Nz，需要将nx变成ny且将ny变成nx。可以看到，在出版物中，nz值总是小于nx和ny，意味着Nz＞1的情况。这对于Y.Yamaguchi等的出版物(SID 93，p277-280，表1和表2)同样成立。在该出版物中，选择nx大于ny。
双稳态TN显示器
另一类向列LCD是表现出双稳态、多稳态或亚稳态行为的向列LCD。在该类中，液晶层可以采用在不存在外加电场的情况下稳定或亚稳定的至少两个不同的结构。为了在两个结构之间切换，对位于液晶层每个面上的电极施加适当的电信号。一旦形成特定结构，在不存在外加电场的情况下因其双稳定性保持该特定结构。在不存在外加电场的情况下双稳态LCD存储图像的能力意味着如果显示的信息不改变，则不需要以高速率连续更新显示器。这极大地减小了显示器的功耗，并且使得对于电池使用寿命极为重要的便携式设备，双稳态显示器具有吸引力。
在双稳态TN显示器中，两种结构包括各自具有不同的扭转角的一致扭曲的平面向列结构。在图4中显示双稳态扭曲向列(BTN)LCD的基本单元结构。该单元包括面向背光或反射器的后基底30和面向观察者20的前基底22这两个基板之间的具有一致扭曲的手性向列液晶层38。位于基底22、30上的电极26、34允许将电指令信号施加到位于其间的手性向列液晶38。沉积在电极26、34上的对准层28、36使两个边界表面处的液晶分子38定向，从而给出这两种双稳态结构的期望扭转角。位于单元的每个面上的两个偏振器24、32使得能够获得明亮光学状态和黑暗光学状态，每个状态与两种双稳态结构的一个或另一个相关联。偏振器24、32通常位于LC单元外部，但是一个或两个偏振器也可以位于LC单元内部。位于单元的观察者侧20的前偏振器24也称作分析器(analyser)。如果显示器被设计为彩色的，则在基底22、30中的一个的内部还存在滤色器(没有显示)。
在图4中，将手性向列液晶的层厚度或单元间隙称作“d”。
可以根据选择的后偏振器32的类型以三种不同光学模式操作BTN显示器，前偏振器24总是透射型的。如果后偏振器32也是透射型的，则获得透射模式。对于该模式，在单元的后面需要背光以向观察者提供照明。如果后偏振器32是反射型的，则获得反射模式。在该情况下，显示器由环境光照明并且由后偏振器32反射回观察者。如果后偏振器32是部分透射、部分反射的透反射(transflective)型的，则获得透反射模式。在该模式下，显示器可以使用背光以透射模式工作，或者使用环境光以反射模式工作。
BTN液晶单元的光学参数是(图5)：
-被定义为液晶双折射Δn与单元间隙d的乘积的层延迟Δn·d，
-x′y′z′坐标系中分别位于后侧和前侧的液晶指向矢40、42的角度P和A。按照惯例，我们取平行于后侧LC指向矢40的x′，这使P＝0。
-后、前偏振器32、24的吸收轴与x′轴所成的角度P和A。
已经开发了两种类型的双稳态扭曲向列(BTN)显示器，每种类型的BTN显示器在不存在外加场的情况下具有两种一致扭曲的结构。这两种类型已知为πBTN显示器和2πBTN显示器。它们将在下面更详细地描述。
称作BiNem显示器的πBTN显示器
由Dozov(US 6,327,017)提出了πBTN显示器，也称作BiNem显示器。BiNem显示器的两个稳定状态是一致扭曲的向列结构，其对于强方位角锚定的情况总扭转角相差180°，因此取名πBTN。因为有限的锚定能、弹性或滑动，两个稳定状态的总扭转角可以相差稍小于180°的角度，典型地在150°和180°之间。因为这两个结构在拓扑上不等同，所以需要将表面对准层中的一个上的锚定的破坏(breaking)从一个结构切换到另一个(参看图6)。通过施加与基底垂直的电场来获得BiNem显示器中锚定的破坏。Kwok(US6,784,955)描述了一种πBTN实施方案，其中由具有一个平行于基底、一个垂直于基底的两个分量的电场切换两种结构。
在图6中，在弱锚定定向层36侧说明LC分子的锚定破坏，另一个定向层28具有强锚定性质。同样在图6中，ITO中的电极称作26、34。
低扭曲结构(扭曲U)称作U结构，高扭曲结构(扭曲T≈U±π)称作T结构。为了均衡两种结构的能量，d/p比值由d/p≈0.25+U/2π给出，其中d是液晶层厚度或单元间隙，p是手性向列液晶的固有节距(pitch)。
Kwok(US 6,784,955)和Joubert(FR0313991和FR0313992)提出了对于垂直入射观察具有高亮度和高对比度的πBTN显示器的优化光学模式。这些优化模式具有特定的层扭转角、偏振器角度和液晶层延迟。针对垂直入射观察优化这些模式。
固有视角性能
Joubert提出对于具有两个偏振器的BiNem单元针对透射和反射模式，在双折射、延迟和偏振器角度方面的优化配置。图7中显示的光学栈(opticalstack)描述了每种模式的一个实例(7a是透射，7b是反射)。U和T状态的层扭转角是-7°和-173°。两个扭转角之间的差是166°而不是180°，因为假设表面中的一个具有在任一方向上具有7°方位角滑动的弱方位角锚定。在图5中定义角度。一个或两个偏振器可以被层压到LCD玻璃基底上或者涂覆在LC单元的内部。
图7a显示设置在背光400和观察者300之间的光学栈，包括与延迟Δn·d(550nm)＝220nm、U扭曲＝-7°以及T扭曲＝-173°相对应的πBTN液晶层150的两个面上的A＝45°的分析器24和P＝-59°的偏振器32。
图7b显示设置在观察者前面的光学栈，其包括与延迟Δn·d(550nm)＝235nm、U扭曲＝-7°以及T扭曲＝-173°相对应的πBTN液晶层150的两个面上的A＝49°的分析器24和P＝34°的反射式偏振器32。
在以等值线的形式表示整个观察半球上的值的锥光干涉图(conoscopicdiagram)上方便地表示显示器的倾斜观察的对比度系数和色移(color shift)特性。这些图常规地由现有技术水平的LCD仿真软件和LCD光学表征仪器产生。对于对比度系数，采用相等能量的光源描绘相等发光对比度的等值线，该相等能量的光源描绘是在可见光谱上具有恒定强度的理想白光光源。将发光对比度定义为明亮状态的光反射比(luminous reflectance)除以黑暗状态的光反射比。光反射比是在人眼的光谱灵敏度曲线上进行了积分的反射比的值，另外已知为适应光反射比(photopic reflectance)。对于色移，绘制相等色度(chromaticity)差ΔC的等值线，其中基准颜色是垂直入射颜色。可以认为ΔC的一个单位是正好明显的色差。ΔC由下式定义：
ΔC = ( u 2 * - u 1 * ) 2 - ( v 2 * - v 1 * ) 2 ,
其中，下标1指垂直入射时的u*和v*色彩坐标，下标2指其他倾斜入射角时的坐标。u*和v*由下式定义：
u*＝13L*(u′-u′n)
v*＝13L*(v′-v′n)
L * = 116 [ Y Y n ] 1 / 3 - 16
其中，下标n指与额定白光相对应的值。通常，
u ′ = 4 X X + 15 Y + 3 Z , v ′ = 9 Y X + 15 Y + 3 Z
其中，X，Y和Z是三色激励值。
图8显示图7a所示的透射型配置的实例的对比度系数(8a)和色移(8b)。在图8a中，等对比度系数等高线(contour)从中心向外是：80，70，60，50，40，30，20和10。在图8b中，等色差等高线ΔC从中心向外：2，4，6，8，10，12，14和16。从图8可以看出，对比度系数10的等值线延伸到大约65°的极角中(图8a)，且最大色移为19(图8b)。对于最小值10∶1的对比度系数，该有限视角范围是足够的，但是留有改进的空间。还希望减小该范围上的色移量。
图9显示图7b所示的反射型配置的实例的对比度系数(9a)和色移(9b)。在图9a中，等对比度系数等高线从中心向外是：80，70，60，50，40，30，20和10。在图9b中，等色差等高线ΔC从中心向外是：2，4，6，8，10，12，14和16。从图9可以看出，对比度为10的等值线延伸到大约65°的极角中(图9a)并且非常小的色移具有大约4的最大值(图9b)。对于最小值10∶1的对比度系数，该有限视角范围是足够的，但是留有改进的空间。
TAC基底的影响
如先前说明的，市场上可买到的层压到显示器上的偏振器在两个面上具有双折射TAC载体膜，但是只有LC层与偏振器薄片之间的TAC膜影响光学性能并且需要考虑。因此，对于透射模式以及对于反射器仅位于后偏振器后面的反射模式，仅需要考虑两个TAC膜的影响。但是如果反射型偏振器基于Bragg反射，则因为反射型偏振器上没有TAC层，所以仅需要考虑前偏振器的TAC层。在接下来的仿真中，对于反射模式仅考虑一个TAC膜。考虑到TAC基底，在图10中说明相应的光学栈(图10a对于透射，图10b对于反射)。这里，作为实例选择典型值是-55nm的TAC双折射。
图10a显示设置在背光400和观察者300之间的πBTN光学栈，包括：A＝45°的分析器24，-55nm的TAC基底10，与延迟Δn·d(550nm)＝220nm、U扭曲＝-7°和T扭曲＝-173°相对应的πBTN液晶层150，-55nm的TAC基底10以及P＝-59°的偏振器32。
图10b显示设置在观察者300前面的πBTN光学栈，包括：A＝49°的分析器24，-55nm的TAC基底10，与延迟Δn·d(550nm)＝235nm、U扭曲＝-7°和T扭曲＝-173°相对应的πBTN液晶层150，以及P＝34°的反射型偏振器32。
图11和12分别显示与图10a和10b的栈实例相对应的透射和反射模式的计算光学特性。从图11可以看出，与没有TAC基底而计算的固有性能相比较，TAC基底在对比度(45°时等对比度10)和色移(最大值为38)方面使光学特性劣化。对于反射模式获得类似的结果(图12)，但是这里TAC层仅使对比度劣化，而色移仍保持相对低。这是与TAC膜实际提高视角特性的TN显示器正好相反的情况(Han，Journal of the SID，3/1，1995，p15)。在图11和12中，等对比度系数等高线和等色差等高线与图8和图9相同。
称作Berreman显示器的2πBTN显示器
首先由Berreman(US 4,239,345)、随后由Tanaka(US 5,900,852)引入2πBTN显示器。初始结构的扭转角是+π，在复位脉冲之后，对于基底表面处指向矢的强方位角锚定的情况，可以获得分别具有和+2π扭曲的两种亚稳态结构。因此，两种亚稳态结构的总扭转角相差2π(参看图13)。通过施加与基底平面垂直的电场实现两种亚稳态结构之间的切换。从各种研究中，已知由d/p≈0.5+/2π给出在2πBTN显示器中实现双稳态的d/p比值。
固有视角性能
Kwok在美国专利US 6,707,527中提出了对于具有高亮度和高对比度系数的2πBTN显示器针对垂直入射观察的优化光学模式，其中，他根据Δn·d、扭转角和偏振器角度提出透射型2πBTN显示器的一些光学模式。在图14中说明这些模式中的一种。
图14显示设置在背光400和观察者300之间的2πBTN光学栈，包括：A＝-56°的分析器24，对应于延迟Δn·d(550nm)＝274nm的2πBTN液晶层150，以及P＝45°的偏振器32。
在图15中呈现相应的光学性能(15a对于对比度，15b对于颜色)。与πBTN的情况类似，针对垂直入射观察优化2πBTN模式。当以倾斜入射角观察时，光学性能也急剧下降。
TAC基底的影响
通过以对图10a的πBTN显示器描述的方法相同的方法考虑两个TAC层，与固有锥光干涉图相比，作为结果的光学性能也类似地劣化(图15)。从图16a可以看出，例如，与对于没有TAC基底的固有情况的60°(图15a)相比，对比度为10的等值线延伸到大约40°的极角中，并且色移高度劣化，从没有TAC的情况的27(图15b)增加到45(图16b)。
当然，具有两个偏振器的2πBTN反射模式的现象与具有两个偏振器的πBTN反射模式的情况类似。
在Rolic的专利EP 1170624中提出了2πBTN LC模式的光学补偿原理。该专利涉及具有特定图案化对准层的域稳定2πBTN。在§[0067]中，说明该发明可以与“光学补偿层”结合，该“光学补偿层”可以是“(单轴或扭曲)液晶薄膜、拉伸聚合物膜或这种膜的组合”，“以提高亮度和/或对比度”。没有更多关于所述补偿膜的描述，句子非常概括并且明显，因为众所周知任何LC模式包括2πBTN可以通过使用补偿膜来进行光学改进。
发明内容
本发明的目的在于获得一种在宽范围的倾斜视角上具有高对比度系数和最小色移的BTN液晶显示器。通过添加一个或多个特定补偿层来实现该目的。
首先，本发明在类型、数量以及能够改进倾斜视角时BTN显示器的光学行为的特性方面描述优化补偿膜。
在大量分析和计算之后确定了最佳延迟器(retarder)。通常，光学补偿的结构是与黑暗状态相对应的结构，以改进显示对比度。
已知具有常规双折射延迟器的BTN显示器，但是没有以增大视角为目的来优化延迟器。例如，Kwok(Journal of Applied Optics，vol.88，No.4，pl718)发表了将四分之一波长正性A板添加到2πBTN显示单元的反射器侧，使得2πBTN显示单元使用单个偏振器以具有高对比度的反射模式工作。类似地，Guo(Applied Optics，vol 42，No.19，p3853)提出了使用几个位于2πBTN显示单元的观察者侧的半波长A板以获得高对比度的单偏振器反射型显示器。这些补偿的目标在于提高垂直入射观察的对比度系数和反射率。没有进行尝试以优化倾斜视角时的高对比度系数或者减小色移。Guo仅示出了他为垂直入射设计的补偿方案的视角性质与不进行补偿的情况相比几乎保持不变。Osterman(IDW’02，p101-103)提出了在反射型BTN显示器的内部或外部放置简单的单轴四分之一波长延迟膜。该工作的目的在于针对垂直入射观察时的高对比度系数和高亮度优化单偏振器BTN显示器。与上述其他出版物一样，没有进行尝试以针对倾斜视角时的高对比度系数或减小色移来优化延迟器。
如图11～12和15～16中显示的，对于许多BTN实施方案，具有高对比度和最小色移的视角范围仍然有限。实际上，不像单稳态TN显示器，商业偏振器膜上存在的TAC层进一步限制可接受的视角范围。BTN显示器的一致扭曲双稳态结构与驱动TN状态的结构非常不同，因此对于倾斜入射光具有非常不同的光学性质。为此，优化双折射补偿层以提高TN显示器在倾斜视角时的对比度系数并减小色移，这不适用于BTN显示器。
本发明提出，通过在两个显示器偏振器之间放置至少一个新的补偿层来改进使用两个偏振器的BTN显示器的离轴光学性能。
更确切地说，本发明提出了一种双稳态扭曲向列(BTN)液晶显示设备，其包括：厚度为d、双折射为Δn和延迟为Δnd的液晶层，所述液晶层位于两个基底之间以及第一和第二偏振器之间，在不存在外加电场的情况下所述液晶层具有两个稳定或亚稳定的一致扭曲结构；以及至少一个包含至少一个双折射膜的补偿层，所述双折射膜具有由沿着折射率椭球的三个相应的轴x，y，z的三个特征折射率nx，ny，nz定义的光学各向异性，x和y位于基底平面内，将nx和ny称作面内折射率，且nx＞ny，将x称作慢轴，z垂直于基底平面，且双轴性参数Nz等于(nx-nz)/(nx-ny)，其特征在于，Nz位于-∞与1之间，使得在倾斜观察时，补偿与黑暗状态相对应的稳定或亚稳定结构的延迟以改进对比度系数，同时修正与明亮状态相对应的稳定或亚稳定结构的延迟以减小色移。
因此，每个延迟器或双折射膜是单轴正性C板(nz＞nx＝ny且Nz＝-∞)、单轴负性A板(nx＝nz＞ny且Nz＝0)、单轴正性A板(nx＞ny＝nz且Nz＝1)或者nz＞nx＞ny(Nz＜0)或nx＞nz＞ny(0＜Nz＜1)的双轴正性板。
提出了本发明的各种实施方案。根据本发明，补偿层可以包括具有期望延迟的单个延迟器，或者可以包括层压在一起的多个延迟器，当加在一起时该多个延迟器的总延迟等于期望延迟。构成补偿层的延迟器也可以是不同类型的，例如A+板和C+板的组合。
根据本发明的备选特征：
-通过施加具有至少一个与液晶单元基底的平面垂直的分量的电场，来获得两个结构之间的切换。
-两个稳定结构的扭曲相差大致与小于或等于2π的π的倍数相等的角度。
-通过拉伸塑料膜实现双折射膜。
-使用聚合液晶分子实现双折射膜。
-使用聚合向列液晶分子实现双折射膜。
-通过将感光聚合物暴露于偏振光来产生双折射膜。
-通过涂覆工艺在基底表面上沉积双折射膜。
-双折射膜是偏振器的一部分。
-两个稳定结构的扭曲相差大致等于π的角度，也就是150°与180°之间。
-d/p比值是d/p≈0.25+/2π，是较低扭曲结构的扭曲。
-层延迟等于λ/2，λ是可见光谱的波长(350～700nm)，意味着液晶层延迟在175nm与350nm之间。
-两个稳定结构的扭曲相差大致等于2π的角度。
-d/p比值是d/p≈0.5+/2π，是较低扭曲结构的扭曲。
本发明还涉及一种制造双稳态扭曲向列(BTN)液晶显示设备的方法，其中，所述方法包括如下步骤：提供厚度为d、双折射为Δn和延迟为Δnd的液晶层(150)，所述液晶层位于两个基底(120，180)之间以及第一和第二偏振器(100，200)之间，在不存在外加电场的情况下所述液晶层(150)具有两个稳定或亚稳定的一致扭曲结构；以及提供至少一个包含至少一个双折射膜的补偿层(110，190)，所述双折射膜具有由沿着折射率椭球的三个相应的轴x，y，z的三个特征折射率nx，ny，nz定义的光学各向异性，x和y位于基底平面内，将nx和ny称作面内折射率，且nx＞ny，将x称作慢轴，z垂直于基底平面，且双轴性参数Nz等于(nx-nz)/(nx-ny)，所述方法的特征在于，Nz位于-∞与1之间，使得在倾斜观察时，补偿与黑暗状态相对应的稳定或亚稳定结构的延迟以改进对比度系数，同时修正与明亮状态相对应的稳定或亚稳定结构的延迟以减小色移。
在下面的详细描述中以及在附图中公开本发明的其他特征和优点。
附图说明
图1示出根据现有技术水平的双轴介质的折射率椭球。
图2a示出根据现有技术水平的C+板单轴膜，图2b示出根据现有技术水平的A+板单轴膜。
图3示出市场上可买到的根据现有技术水平的偏振器的结构。
图4示出根据现有技术水平的BTN单元结构。
图5示出根据现有技术水平的这种BTN单元结构的x′y′z′坐标系定义以及主要光学参数。
图6示出根据现有技术水平的πBTN显示器的原理。
图7a和7b示出根据现有技术水平的πBTN显示器的光学栈的实例。更确切地说，图7a示出透射型πBTN显示器，图7b示出反射型πBTN显示器。
图8a和8b示出图7a所示的根据现有技术水平的πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图8a示出对比度锥光干涉图，而图8b示出色移锥光干涉图。
图9a和9b示出图7b所示的根据现有技术水平的πBTN反射型配置的光学性能。更确切地说，图9a示出对比度锥光干涉图，而图9b示出色移锥光干涉图。
图10a和10b示出考虑到市场上可买到的偏振器的TAC基底的根据现有技术水平的光学栈的实例。更确切地说，图10a示出透射型πBTN显示器，而图10b示出反射型πBTN显示器(仅一个具有TAC基底的偏振器的实例)。
图11a和11b示出根据现有技术水平的包括如图10a所示的两个TAC偏振器基底的πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图11a示出对比度锥光干涉图，而图11b示出色移锥光干涉图。
图12a和12b示出根据现有技术水平的包括如图10b所示的一个TAC偏振器基底的πBTN反射型配置的光学性能。更确切地说，图12a示出对比度锥光干涉图，而图12b示出色移锥光干涉图。
图13示出根据现有技术水平的2πBTN显示器的原理。
图14示出根据现有技术水平的透射型2πBTN显示器的光学栈的实例。
图15a和15b示出图14所示的根据现有技术水平的2πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图15a示出对比度锥光干涉图，而图15b示出色移锥光干涉图。
图16a和16b示出根据现有技术水平的包括如图10b所示的两个TAC偏振器基底的2πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图16a示出对比度锥光干涉图，而图16b示出色移锥光干涉图。
图17示出本发明的原理。
图18示出本发明的第一实施方案。
图19示出本发明第一实施方案的第一变体。
图20示出本发明第一实施方案的第二变体。
图21示出本发明第二实施方案的原理。
图22示出本发明第二实施方案的实例。
图23示出本发明第二实施方案的第一变体。
图24示出本发明第二实施方案的第二变体。
图25a和25b示出如表2所示的通过在LC单元的每个面上使用两个正性单轴膜补偿的包括两个TAC偏振器基底的本发明的πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图25a示出对比度锥光干涉图，等对比度系数等高线从中心向外：80，70，60，50，40，30，20，10。图25b示出色移锥光干涉图，等色差等高线ΔC从中心向外2，4，6，8，10，12，14，16。
图26a和26b示出如表3所示的通过使用一个正性单轴膜补偿的包括两个TAC偏振器基底的本发明的πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图26a示出对比度锥光干涉图，等对比度系数等高线从中心向外：80，70，60，50，40，30，20，10。图26b示出色移锥光干涉图，等色差等高线ΔC从中心向外2，4，6，8，10，12，14，16。
图26bisa和26bisb示出如表3bis所示的通过使用一个正性C板和一个正性A板的组合补偿的包括两个TAC偏振器基底的本发明的πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图26bisa示出对比度锥光干涉图，等对比度系数等高线从中心向外：80，70，60，50，40，30，20，10。图26bisb示出色移锥光干涉图，等色差等高线ΔC从中心向外2，4，6，8，10，12，14，16。
图27a～27c示出如表4所示的通过使用一个双轴膜补偿的包括两个TAC偏振器基底的本发明的πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图27a示出Nz＝-∞的情况；图27b示出Nz＝-10的情况；图27c示出Nz＝-5的情况。左侧对应于对比度锥光干涉图，等对比度系数等高线从中心向外：80，70，60，50，40，30，20，10。右侧对应于色移锥光干涉图，等色差等高线ΔC从中心向外2，4，6，8，10，12，14，16。
图28a～28c示出如表4所示的通过使用一个双轴膜补偿的包括两个TAC偏振器基底的本发明的πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图28a示出Nz＝-2的情况；图28b示出Nz＝-1的情况；图28c示出Nz＝-0.5的情况。左侧对应于对比度锥光干涉图，等对比度系数等高线从中心向外：80，70，60，50，40，30，20，10。右侧对应于色移锥光干涉图，等色差等高线ΔC从中心向外2，4，6，8，10，12，14，16。
图29a～29c示出如表4所示的通过使用一个双轴膜补偿的包括两个TAC偏振器基底的本发明的πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图29a示出Nz＝0的情况；图29b示出Nz＝0.5的情况；图29c示出Nz＝1的情况。左侧对应于对比度锥光干涉图，等对比度系数等值线从中心向外：80，70，60，50，40，30，20，10。右侧对应于色移锥光干涉图，等色差等高线ΔC从中心向外2，4，6，8，10，12，14，16。
图30a和30b示出如表6所示的通过使用一个单轴膜补偿的本发明的πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图30a示出对比度锥光干涉图，等对比度系数等高线从中心向外：80，70，60，50，40，30，20，10。图30b示出色移锥光干涉图，等色差等高线ΔC从中心向外2，4，6，8，10，12，14，16。
图31a和31b示出如表7所示的通过使用一个双轴膜补偿的本发明的πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图31a示出对比度锥光干涉图，等对比度系数等高线从中心向外：80，70，60，50，40，30，20，10。图31b示出色移锥光干涉图，等色差等高线ΔC从中心向外2，4，6，8，10，12，14，16。
图32a和32b示出如表8所示的通过使用一个单轴膜补偿的本发明的πBTN反射型配置的光学性能。更确切地说，图32a示出对比度锥光干涉图，等对比度系数等高线从中心向外：80，70，60，50，40，30，20，10。图32b示出色移锥光干涉图，等色差等高线ΔC从中心向外2，4，6，8，10，12，14，16。
图33a和33b示出如表9所示的通过使用一个单轴膜补偿的本发明的2πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图33a示出对比度锥光干涉图，等对比度系数等高线从中心向外：80，70，60，50，40，30，20，10。图33b示出色移锥光干涉图，等色差等高线ΔC从中心向外2，4，6，8，10，12，14，16。
图34a和34b示出如表10所示的使用一个双轴膜补偿的本发明的2πBTN透射型配置的光学性能。更确切地说，图34a示出对比度锥光干涉图，等对比度系数等高线从中心向外：80，70，60，50，40，30，20，10。图34b示出色移锥光干涉图，等色差等高线ΔC从中心向外2，4，6，8，10，12，14，16。
图35示出透射型πBTN单元的测量对比度系数锥光干涉图，该透射型πBTN单元具有图7a所示的光学参数以及如图24所示的具有层压到玻璃基底上的TAC基底的偏振器。
图36示出使用垂直(homeotropic)LC单元补偿的图7a所示的透射型πBTN单元的测量对比度系数锥光干涉图，该垂直LC单元与具有200nm延迟的C+板光学等同。
根据本发明的第一实施方案至少包括两个补偿膜，至少一个位于BTN单元的每个面上。
图17所示的光学栈包括分析器100、第一补偿层110、BTN液晶层150、第二补偿层190和偏振器200。
补偿层110、190可以位于玻璃基底120、180与外部偏振器100、200之间(图18所示的实施方案)，或者补偿层110、190和偏振器100、200可以位于单元内部(图19所示的实施方案)，或者补偿层110、190可以位于单元内部而偏振器100、200位于单元外部(图20所示的实施方案)。在后两种情况下，补偿层110、190位于液晶层150与相邻的基底120、180之间。
当然，图18、19和20所示的三种实施方案的组合也是可以的，其中，液晶层的每个面对应于一种实施方案。
图18所示的光学栈包括分析器100、第一补偿层110、玻璃基底120、BTN液晶层150、第二玻璃基底180、第二补偿层190和偏振器200。
图19所示的光学栈包括玻璃基底120、分析器100、第一补偿层110、BTN液晶层150、第二补偿层190、偏振器200和第二玻璃基底180。
图20所示的光学栈包括分析器100、玻璃基底120、第一补偿层110、BTN液晶层150、第二补偿层190、第二玻璃基底180和偏振器200。
根据本发明的第二实施方案包括BTN显示器的仅位于LC单元的一个面上的补偿层(图21)。
图21所示的单元包括栈，该栈包括分析器100、补偿层110、BTN单元150和偏振器200。
补偿层110可以位于一个玻璃基底120与相应的外部偏振器100或200之间(图22所示的实施方案)，或者补偿层110和相应的偏振器100或200可以位于单元内部(图23所示的实施方案)，或者补偿层110可以位于单元内部而相应的偏振器100或200位于单元外部(图24所示的实施方案)。在后两种情况下，补偿层110位于液晶分子150与相邻的前基底100之间。
补偿层110可以位于偏振器侧200或者分析器侧100。
图22所示的光学栈包括分析器100、补偿层110、玻璃基底120、BTN液晶层150、第二玻璃基底180和偏振器200。
图23所示的光学栈包括玻璃基底120、分析器100、补偿层110、BTN液晶层150、偏振器200和第二玻璃基底180。
图24所示的光学栈包括分析器100、玻璃基底120、补偿层110、BTN液晶层150、第二玻璃基底180和偏振器200。
根据本发明，观察者侧前面的偏振器100(分析器)是透射型的，而后偏振器200可以是透射型、反射型或透反射型的。作为实际的例子，当将商用偏振器100、200层压到BTN单元外侧时，必须考虑偏振器的TAC基底的作用。对于单元内部的偏振器，通常没有TAC基底。
当补偿层110具有意味着Nz≠-∞(Nz＝-∞对应于nx＝ny)的确定慢轴方向(对应于nx，且nx＞ny)时，为了进行最佳补偿，补偿器膜慢轴优选与其相邻的偏振器的吸收轴平行。精确平行定位给出最佳结果，但是+/-5°的容差(tolerance)是可接受的。
当补偿层110、190包括一个正性单轴C板(C+)和一个单轴正性A板(A+)的栈时，为了进行最佳补偿，A板的最大折射率方向(nx)(慢轴)优选与其相邻的偏振器的吸收轴垂直。精确平行定位给出最佳结果，但是+/-5°的容差是可接受的。
补偿层的绝对延迟|(nx-ny)·d|优选小于或等于与λ/2相对应的最大液晶延迟，λ在可见光谱范围[350nm～700nm]内，意为350nm。
补偿层的绝对延迟|(nx-nz)·d|优选小于或等于300nm。
对于固有BTN显示器以及在偏振器基底上具有TAC层的BTN显示器，每个补偿器包括由-∞≤Nz≤1表征的至少一个延迟器的根据本发明提供的补偿层110或两个补偿层110、190大大改进了以倾斜角度观察时显示器的对比度系数，并且减小了明亮状态跟随视角的观察色移。
具体实施方式
实施方案1：πBTN LC单元的每个面上的补偿层
表2：使用LC层的每个面上的两个正性单轴延迟器的πBTN光学补偿的实例
观察者
分析器A＝45°
-55nm TAC
+100nm正性C板
πBTN LC层Δn·d(550nm)＝220nm
+100nm正性C板
-55nm TAC
偏振器P＝-59°
背光
在上面的表2中描述该实例中的光学栈。该实施方案对应于图17～20。该实施方案的每个补偿层包括光轴垂直于基底(C+)且具有延迟(nz-nx)·d＝100nm的一个正性单轴延迟器。考虑了两个透射型偏振器内侧的每个TAC基底的延迟-55nm。
图25给出相应的对比度和色移锥光干涉图(25a对于对比度，25b对于色移)。为了评价光学性能的改进，将这些锥光干涉图与图11的锥光干涉图进行比较。对比度为10的等值线现在完全位于***对应于80°的入射角的图的外部，仅对比度系数为30的等值线出现在***。图中任意位置出现的最大色移从38减小到9。
因此，通过使用根据本发明的补偿层，大大改进了对比度系数。但是，还令人惊奇的是，还大大改进了明亮状态的色移。通常，为了改进黑暗状态而优化延迟器，意味着将延迟器设计为补偿与黑暗状态相对应的LC结构。但是这里，我们可以看到，延迟器(通过减小色移)对于当然对应于与黑暗状态相对应的LC结构不同的LC结构的明亮状态也具有正面的影响。而且，不存在特殊原因以使用同一补偿器同时改进两种特性(对比度和色移)，每一种特性对应于不同的LC结构。
如图8的锥光干涉图所示，总补偿双折射是200nm，其大于两个TAC层的作用-110nm。补偿层不仅补偿TAC层，还补偿固有πBTN自身。
实施方案2：πBTN LC单元的仅一个面上的补偿层
在下面的表3～7所示的对应于图21～24的共同启示的实施方案中，补偿层在后偏振器侧，而不在前分析器侧。
具有两个TAC层的透射型-使用单个单轴板补偿
表3：使用一个正性单轴延迟器的πBTN光学补偿的实例
观察者
分析器A＝45°
-55nm TAC
πBTN LC层Δn·d(550nm)＝220nm
+185nm正性C板
-55nm TAC
偏振器P＝-59°
背光
在上面的表3中描述该实例中的光学栈。本发明的补偿层包括光轴垂直于基底(C+)且具有延迟(nz-nx)·d＝185nm的一个正性单轴延迟器。考虑了两个透射型偏振器内侧的每个TAC基底的延迟-55nm。
图26给出相应的对比度和色移锥光干涉图(26a对于对比度，26b对于色移)。为了评价光学性能的改进，将这些锥光干涉图与图11的锥光干涉图进行比较。对比度为10的等值线现在完全位于***对应于80°的入射角的图的外部，并且仅对比度系数为20的等值线出现在***。图中任意位置出现的最大色移从38减小到15。因此，通过使用根据本发明的双折射膜，大大改进了对比度系数和色移。如果不偏振器与单元之间而在分析器与单元之间***正性单轴延迟器，则除了简单地旋转锥光干涉图之外，获得完全相同的结果。
如图8的锥光干涉图中所示，总补偿双折射是185nm，其大于两个TAC层的作用-110nm。延迟层不仅补偿TAC层，还补偿固有πBTN自身。
具有两个TAC的透射型-使用A板和C板的组合补偿
表3bis：使用A板和C板的πBTN光学补偿的实例
观察者
分析器A＝45°
-55nm TAC
πBTN LC层Δn·d(550nm)＝220nm
+230nm正性C板
慢轴位于+31°的40nm正性A板
-55nm TAC
偏振器P＝-59°
在上面的表3bis中描述该实例中的光学栈。本发明的补偿层包括两个延迟器，光轴垂直于基底(C+)、具有延迟(nz-nx)·d＝230nm的正性单轴延迟器、以及具有延迟(nx-ny)·d＝40nm且慢轴(nx)垂直于相邻的偏振器的吸收轴的正性A板。精确垂直定位给出最佳结果，但是+/-5°的容差是可接受的。考虑了两个透射型偏振器的内侧的每个TAC基底的延迟-55nm。
图26bis给出该优化组合的相应的对比度和色移锥光干涉图(26bisa对于对比度，26bisb对于色移)。将这些图与图26的单个优化C+延迟器的锥光干涉图进行比较显示，A+和C+的组合比单独C+给出稍微更好的角度性能。
具有两个TAC的透射型-使用单个双轴板补偿
表4：使用一个双轴延迟器的πBTN光学补偿的实例
观察者
分析器A＝45°
-55nm TAC
πBTN LC层Δn·d(550nm)＝220nm
nx位于-59°的双轴延迟器
-55nm TAC
偏振器P＝-59°
背光
在上面的表4中描述该实例中的光学栈。本发明的补偿层包括nz轴垂直于基底平面的一个双轴延迟器。评价了不同的双轴延迟器，在表5中详细描述了延迟和相应的Nz值的实例。Nz值从-∞变化到+1。考虑了两个透射型偏振器的内侧的每个TAC基底的延迟-55nm。
表5：每个双轴性参数Nz＝(nx-nz)/(nx-ny)的最佳延迟(以nm为单位)对于使用一个双轴膜的πBTN光学补偿
Nz -∞  -10  -5  -2  -1  -0.5  0  0.5  1
(nx-ny)·d 0.0  17.5  32.0  65.0  100  140  185  210  290
(nx-nz)·d -185  -175  -160  -130  -100  -70  0.0  +105  +290
图27(a：Nz＝-∞；b：Nz＝-10；c：Nz＝-5)、图28(a：Nz＝-2，b：Nz＝-1；c：Nz＝-0.5)以及图29(a：Nz＝0；b：Nz＝0.5；c：Nz＝1)给出相应的对比度和色移锥光干涉图。左侧对于对比度，右侧对于色移。为了进行最佳补偿，nx轴(nx＞ny，慢轴)优选与它的相邻偏振器的吸收轴平行定位。精确平行定位给出最佳结果，但是+/-5°的容差是可接受的。
为了评价光学性能的改进，将这些锥光干涉图与图11的πBTN锥光干涉图(具有TAC)和图8(没有TAC的固有πBTN)进行比较。
如果不在偏振器与单元之间而在分析器与单元之间***双轴延迟器，则除了简单地旋转锥光干涉图之外，获得相同的结果。当然，在该情况下，延迟器的慢轴平行于分析器而非偏振器的透射轴而定向。
根据本发明，识别出Nz和(nx-nz)·d的两个范围：Nz位于-∞至0之间且(nx-nz)·d位于-250nm至0nm之间的第一范围，以及Nz位于0至1之间且(nx-nz)·d位于0nm至300nm之间的第二范围。通过在第一范围中使用根据本发明的双轴延迟器，与具有TAC层(图11)和没有TAC层(图8)的πBTN相比，改进了对比度系数和色移。通过在第二范围中使用根据本发明的双轴延迟器，与具有TAC层的πBTN(图11)相比，改进了对比度系数和色移，但是对于没有TAC层的πBTN(图8)，没有获得改进。对于Nz＜0且绝对值|(nx-nz)·d|小于或等于LC单元的Δn·d的值的第一范围内(典型地是200～250nm)的延迟器，获得最佳补偿。
没有TAC层的透射型-使用单个单轴板补偿
表6：使用一个正性单轴延迟器和没有TAC的偏振器的πBTN光学补偿的实例
观察者
分析器A＝45°
πBTN LC层Δn·d(550nm)＝220nm
+80nm正性C板
偏振器P＝-59°
背光
在上面的表6中描述该实例给出的光学栈。所提出的补偿层包括光轴垂直于平面基底(C+)且具有延迟(nz-nx)＝80nm的一个正性单轴延迟器。偏振器是没有TAC层的透射型的。
图30给出相应的对比度和色移锥光干涉图(30a对于对比度，30b对于色移)。为了评价光学性能的改进，将这些锥光干涉图与图8的锥光干涉图进行比较。对比度为10的等值线现在完全位于***对应于80°的入射角的图的外部，仅对比度系数为30的等值线出现在***。图中任意位置出现的最大色移从19减小到12。因此，通过使用根据本发明的双折射膜，大大改进了对比度系数和色移。如果不在偏振器与单元之间而在分析器与单元之间***正性单轴延迟器，则除了简单地旋转锥光干涉图之外，获得相同的结果。
没有TAC层的透射型-使用单个双轴层补偿
表7：使用一个正性双轴延迟器和没有TAC的偏振器的πBTN光学补偿的实例
观察者
分析器A＝45°
πBTN LC层Δn·d(550nm)＝220nm
nx位于-59°、Nz＝-2且(nx-ny)d＝27.5nm的双轴延迟器
偏振器P＝-59°
背光
在上面的表7中描述该实例中的光学栈。本发明的补偿层包括nz轴垂直于基底平面、Nz＝-2且(nx-ny)·d＝27.5nm的一个正性双轴延迟器。为了进行最佳补偿，nx轴(nx＞ny，慢轴)优选与它的相邻偏振器的吸收轴平行定位。精确平行定位给出最佳结果，但是+/-5°的容差是可接受的。偏振器是没有TAC层的透射型的。
图31给出相应的对比度和色移锥光干涉图(31a对于对比度，31b对于色移)。为了评价光学性能的改进，将这些锥光干涉图与图8的锥光干涉图进行比较。对比度为10的等值线现在完全位于***对应于80°的入射角的图的外部，仅对比度系数为30的等值线出现在***。图中任意位置出现的最大色移从19减小到11。因此，通过使用根据本发明的双折射膜，大大改进了对比度系数和色移。如果不在偏振器与单元之间而在分析器与单元之间***双轴延迟器，则除了简单地旋转锥光干涉图之外，获得相同的结果。当然，在该情况下，延迟器的慢轴平行于分析器而不是偏振器的透射轴而定向。
具有一个TAC层的反射型-使用单个单轴板补偿
表8：使用一个正性单轴延迟器和具有TAC的分析器的反射型πBTN光学补偿的实例
观察者
分析器A＝49°
-55nm TAC
+130nm正性C板
πBTN LC层Δn·d(550nm)＝235nm
反射型偏振器P＝34°
在上面的表8中描述该实例给出的光学栈。在该情况下，在前分析器和液晶之间设置补偿板(对应于图21～24)。所提出的补偿层包括光轴垂直于平面基底(C+)且具有延迟(nz-nx)＝130nm的一个正性单轴延迟器。前偏振器是具有TAC层的透射型的，后偏振器是没有TAC层的反射型的。
图32给出相应的对比度和色移锥光干涉图(32a对于对比度，32b对于色移)。为了评价光学性能的改进，将这些锥光干涉图与图9的锥光干涉图进行比较。对比度为10的等值线现在完全位于***对应于80°的入射角的图的外部，仅对比度系数为30的等值线出现在***。通过使用根据本发明的双折射膜，大大改进了对比度系数。
实施方案2：2πBTN LC单元的一个面上的补偿膜
具有两个TAC层的透射型-使用单个单轴板补偿
对应于表9和10的实施方案符合图21～24的一般启示，补偿板设置在单元的后侧而不是前侧。
表9：使用一个正性单轴延迟器的2πBTN光学补偿的实例
观察者
分析器A＝-56°
-55nm TAC
2πBTN LC层Δn·d(550nm)＝274nm
+250nm正性C板
-55nm TAC
偏振器P＝45°
背光
在上面的表9中描述该实例中的光学栈。本发明的补偿层包括光轴垂直于基底(C+)且具有延迟(nz-nx)·d＝250nm的一个正性单轴延迟器。考虑了两个透射型偏振器的内侧的每个TAC基底的延迟-55nm。
图33给出相应的对比度和色移锥光干涉图(33a对于对比度，33b对于色移)。为了评价光学性能的改进，将这些锥光干涉图与图15(没有TAC)和图16(具有TAC)的锥光干涉图进行比较。对比度为10的等值线现在完全位于***对应于80°的入射角的图的外部，仅对比度系数为20的等值线出现在***。图中任意位置出现的最大色移从45(具有TAC)减小到13。因此，通过使用根据本发明的双折射膜，大大改进了对比度系数和色移。如果不在偏振器与LC层之间而在分析器与LC层之间***正性单轴延迟器，则除了简单地旋转锥光干涉图之外，获得相同的结果。
总补偿双折射是250nm，其大于两个TAC层的作用-110nm。如图15的锥光干涉图中所示，补偿层不仅补偿TAC层，还补偿固有2πBTN自身。
具有两个TAC层的透射型-使用单个双轴板补偿
表10：使用一个正性双轴延迟器的2πBTN光学补偿的实例
观察者
分析器A＝-56°
-55nm TAC
2πBTN LC层Δn·d(550nm)＝274nm
nx位于45°、Nz＝-2且(nx-ny)d＝114nm的双轴延迟器
-55nm TAC
偏振器P＝45°
背光
在上面的表10中描述该实例中的光学栈。本发明的补偿层包括Nz＝-2以及延迟(nx-ny)·d＝114nm的一个正性双轴延迟器。为了最佳补偿，nx轴(nx＞ny，慢轴)优选与它的相邻偏振器的吸收轴平行定位。精确平行定位给出最佳结果，但是+/-5°的容差是可接受的。偏振器是没有TAC层的透射型的。
考虑了两个透射型偏振器的内侧的每个TAC基底的延迟-55nm。
图34给出相应的对比度和色移锥光干涉图(34a对于对比度，34b对于色移)。为了评价光学性能的改进，将这些锥光干涉图与图15(没有TAC)和图16(具有TAC)的锥光干涉图进行比较。对比度为10的等值线现在完全位于***对应于80°的入射角的图的外部，仅对比度系数为30的等值线出现在***。图中任意位置出现的最大色移从45(具有TAC)减小到16。因此，通过使用根据本发明的双折射膜，大大改进了对比度系数和色移。如果不在偏振器与单元之间而在分析器与单元之间***正性双轴延迟器，则除了简单地旋转锥光干涉图之外，获得相同的结果。当然，在该情况下，延迟器的慢轴平行于分析器而不是偏振器的透射轴而定位。
延迟层不仅补偿TAC层，与固有BTN显示器本身(参看图15)相比，还产生具有改进的对比度系数和色移的BTN显示器。
发明的实验验证-由单个正性单轴延迟器补偿的透射型πBTN单元的实施方案2的实例
在实验中，使用位于单元外部且每个具有TAC基底的偏振器实现具有图7a所示的光学参数的πBTN单元。在图35中给出测量的对比度锥光干涉图。该测量的锥光干涉图具有与图11a所示的仿真锥光干涉图非常类似的形状。
使用光轴垂直于基底的具有垂直对准的向列液晶单元实现包括一个单轴正性延迟器(C+)的补偿层。因为向列液晶具有正光学各向异性，该配置与正性C板光学等同。单元间隙是1.2μm，LC混合物的Δn等于0.17，所以该垂直单元的延迟是200nm，非常接近算出的最优值185nm。
使用折射率匹配流体将该垂直单元光学连接到πBTN单元，将偏振器层压到玻璃基底上，如图24所示，一个位于πBTN单元侧，另一个位于垂直单元侧。图36示出该双单元配置的测量对比度锥光干涉图。比较图35和36的锥光干涉图，可以看出，与仿真一致，通过使用C+延迟器，大大改进了对比度系数。
当然，本发明不局限于上述实例，而可以扩展到根据所附权利要求的任意实施方案。

Claims (35)

1.一种双稳态扭曲向列(BTN)液晶显示设备，包括：厚度为d、双折射为Δn和延迟为Δnd的液晶层(150)，所述液晶层位于两个基底(120，180)之间以及第一和第二偏振器(100，200)之间，在不存在外加电场的情况下所述液晶层(150)具有两个稳定或亚稳定的一致扭曲结构；以及至少一个包含至少一个双折射膜的补偿层(110，190)，所述双折射膜具有由沿着折射率椭球的三个相应的轴x，y，z的三个特征折射率nx，ny，nz定义的光学各向异性，x和y位于基底平面内，将nx和ny称作面内折射率，且nx＞ny，将x称作慢轴，z垂直于基底平面，且双轴性参数Nz等于(nx-nz)/(nx-ny)，其特征在于，Nz位于-∞与1之间，使得在倾斜观察时，补偿与黑暗状态相对应的稳定或亚稳定结构的延迟以改进对比度系数，同时修正与明亮状态相对应的稳定或亚稳定结构的延迟以减小色移。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，每个双折射膜(110，190)选自包括单轴正性C板(nz＞nx＝ny且Nz＝-∞)、单轴负性A板(nx＝nz＞ny且Nz＝0)、单轴正性A板(nx＞ny＝nz且Nz＝1)、或者具有nz＞nx＞ny(Nz＜0)或nx＞nz＞ny(0＜Nz＜1)的双轴正性板的组。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述补偿层(110，190)包括具有期望延迟的单个延迟器。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述补偿层(110，190)包括层压在一起的多个延迟器，当加在一起时所述多个延迟器的总延迟等于期望延迟。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括不同类型的两个补偿层(110，190)。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的设备，其特征在于，通过施加具有至少一个与液晶单元基底(120，180)的平面垂直的分量的电场，来获得所述两个结构之间的切换。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的设备，其特征在于，两个稳定结构的扭曲相差与小于或等于2π的π的倍数大致相等的角度。
8.根据权利要求1～4和6～7中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括单个补偿层(110，190)。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备包括位于液晶层(150)和观察者之间的一个补偿层(110)。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备包括位于相对于液晶层(150)与观察者侧相对的侧的一个补偿层(190)。
11.根据权利要求1～7中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括两个补偿层(110，190)，液晶层(150)的每一侧一个补偿层。
12.根据权利要求1～4或6、7、11中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括具有相同Nz值的两个补偿层(110，190)，液晶层(150)的每一侧一个补偿层。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的设备，其特征在于，观察者侧的前偏振器(100)是透射型的。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的设备，其特征在于，与观察者侧相对的侧的后偏振器(200)是透射型的。
15.根据权利要求1～13中任一项所述的设备，其特征在于，与观察者侧相对的侧的后偏振器(200)是反射型的。
16.根据权利要求1～13中任一项所述的设备，其特征在于，与观察者侧相对的侧的后偏振器(200)是透反射型的。
17.根据权利要求1～16中任一项所述的设备，其特征在于，Nz包含在-∞与0.5之间。
18.根据权利要求1～17中任一项所述的设备，其特征在于，Nz包含在-∞与0之间，其对应于nx＝nz＞ny。
19.根据权利要求1～16中任一项所述的设备，其特征在于，Nz等于-∞，其对应于nz＞nx＝ny。
20.根据权利要求1～19中任一项所述的设备，其特征在于，绝对延迟|(nx-nz)d|为≤300nm。
21.根据权利要求1～19中任一项所述的设备，其特征在于，绝对延迟|(nx-ny)d|小于或等于LC延迟Δnd。
22.根据权利要求1～21中任一项所述的设备，其特征在于，绝对延迟|(nx-ny)d |为≤350nm。
23.根据权利要求1～16中任一项所述的设备，其特征在于，Nz包含在0与1之间，其对应于nx≥nz≥ny。
24.根据权利要求1～23中任一项所述的设备，其特征在于，慢轴以+/-5°的容差平行或垂直于相邻的偏振器的吸收轴。
25.根据权利要求1～23中任一项所述的设备，其特征在于，慢轴以+/-5°的容差平行于相邻的偏振器的吸收轴。
26.根据权利要求1～24中任一项所述的设备，其特征在于，补偿层(110，190)至少包括两个双折射膜，一个双折射膜具有Nz＝1，且慢轴以+/-5°的容差垂直于相邻的偏振器的吸收轴。
27.根据权利要求1～26中任一项所述的设备，其特征在于，补偿层(110，190)包括Nz＝-∞的一个双折射膜。
28.根据权利要求1～27中任一项所述的设备，其特征在于，双折射膜(110，190)选自包括通过拉伸塑料膜而实现的双折射膜、使用聚合液晶分子实现的膜、以及通过将感光聚合物暴露于偏振光而产生的膜的组。
29.根据权利要求1～28中任一项所述的设备，其特征在于，双折射膜(110，190)是偏振器(100，200)的一部分。
30.根据权利要求1～29中任一项所述的设备，其特征在于，两个稳定结构的扭曲相差大致等于180°的角度，也就是150°与180°之间。
31.根据权利要求1～30中任一项所述的设备，其特征在于，d/p比值是d/p≈0.25+/2π，是较低扭曲结构的扭曲，d是液晶层厚度或单元间隙，以及p是手性向列液晶的固有节距。
32.根据权利要求1～29中任一项所述的设备，其特征在于，两个稳定结构的扭曲相差大致等于2π的角度。
33.根据权利要求1～29和32中任一项所述的设备，其特征在于，d/p比值是d/p≈0.5+/2π，是较低扭曲结构的扭曲，d是液晶层厚度或单元间隙，以及p是手性向列液晶的固有节距。
34.根据权利要求1～33中任一项所述的设备，其特征在于，液晶层(150)引入175nm～350nm之间的延迟Δnd。
35.一种制造双稳态扭曲向列(BTN)液晶显示设备的方法，其中，所述方法包括如下步骤：提供厚度为d、双折射为Δn和延迟为Δnd的液晶层(150)，所述液晶层位于两个基底(120，180)之间以及第一和第二偏振器(100，200)之间，在不存在外加电场的情况下所述液晶层(150)具有两个稳定或亚稳定的一致扭曲结构；以及提供至少一个包含至少一个双折射膜的补偿层(110，190)，所述双折射膜具有由沿着折射率椭球的三个相应的轴x，y，z的三个特征折射率nx，ny，nz定义的光学各向异性，x和y位于基底平面内，将nx和ny称作面内折射率，且nx＞ny，将x称作慢轴，z垂直于基底平面，且双轴性参数Nz等于(nx-nz)/(nx-ny)，所述方法的特征在于，Nz位于-∞与1之间，使得在倾斜观察时，补偿与黑暗状态相对应的稳定或亚稳定结构的延迟以改进对比度系数，同时修正与明亮状态相对应的稳定或亚稳定结构的延迟以减小色移。
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