TWI393963B - 延遲補償元件、液晶顯示器裝置及液晶投影機 - Google Patents

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Description

延遲補償元件、液晶顯示器裝置及液晶投影機
本發明係關於一種延遲補償元件、液晶顯示器裝置、及液晶投影機，並且更尤其是有關適用VA模式之液晶晶胞的延遲補償元件，其中VA模式之液晶晶胞包含垂直配向之向列液晶，以及液晶顯示器裝置和使用該延遲補償元件之液晶投影機。
液晶顯示器裝置具有將向列液晶充填在一對玻璃基板之間的液晶晶胞。依據液晶晶胞之操作模式，將液晶裝置分類成TN(扭轉向列型(Twisted Nematic))模式，VA(垂直配向型(Vertical Alignment))模式，IPS(橫向電場切換型(In-Plane Switching))模式，OCB(光學補償彎曲型(Optically Compensatory Bend))模式，ECB(電氣控制雙折射型(Electrically Controlled Birefringence))模式等。雖然該等操作模式因詳如液晶分子之配向方向而異，但是以電氣方式控制通過液晶之光線量且因此顯示字體和影像之功能則相同。
VA模式之液晶顯示器裝置能夠提供從前方觀看時之優越對比，故為目前所喜用者。VA模式之液晶顯示器裝置具有其液晶分子係垂直配向在玻璃基板之液晶層，其中之玻璃基板保持該液晶層。配置在玻璃基板外的是一對配置成正交偏光(crossed nicols)之偏光板。當未施加電壓時，通過入射光側(偏光器(polarizer))上偏光板之線性偏 光線在其偏光面實質上未改變之下通過液晶層。該光線實質上為出射光側(檢偏器(analyzer))上之偏光板所遮擋，並產生黑色顯示狀態。當施加最大電壓時，液晶分子使配向方向位移而平行於玻璃基板。通過偏光板之線性偏光線，當它通過液晶層時以90度改變其偏光板。該光線通過檢偏器並且產生白色顯示狀態。
一般而言，VA模式之液晶顯示器裝置具有關觀看方向之問題或者觀看角度之相依問題，當中其造成在某種觀看角度會漏光並且在黑色顯示狀態不會出現黑色。由於該缺點，觀看者在傾斜角度時可能看到不良對比或者灰色位準被反轉時之灰階反轉。因此，提出以光學方式補償抑制由液晶層所引起造成漏光之光線延遲的光學元件(例如，見日本專利案公開案號2004-145268)。該光學元件具有作為C-板用之光學各向異性層，該C-板之光軸係沿元件基板法線延伸並且補償以斜角進入VA模式之液晶晶胞的光線延遲。
然而，因VA模式之液晶晶胞中之液晶分子在未施加電壓時未完全成垂直配向，甚至以直角進入玻璃基板之光線亦易受到延遲。如第7B圖中所示，由於該延遲，最佳對比之峯值位置在液晶分子之配向方向中形成位移。結果，降低顯示螢幕上影像之對比。
有鑑於前述，本發明之目的在提供一種能補償出現在VA模式之液晶晶胞中之光線延遲的延遲補償元件，並且提供配有該延遲補償元件之液晶顯示器裝置及液晶投影機。
為了達成以上及其他目的，依據本發明之延遲補償元件包含作用為C-板第一光學各向異性層，該C-板之光軸垂直於VA模式之液晶晶胞的基板表面，以及作用為O-板第二光學各向異性層，該O-板之光軸傾斜於基板表面。VA模式之液晶晶胞具有大致上為垂直配向之液晶分子。第一光學各向異性層補償以斜角進入液晶晶胞之光線延遲，而第二和第三光學各向異性層補償以直角進入液晶晶胞之光線延遲。
第一光學各向異性層為具有不同折射率之數種薄層所組成之形狀雙折射(form birefringence)。各薄層之厚度小於可見光之波長。最佳是，第一光學各向異性層係由交錯堆疊之兩種薄層組成，其折射率在可見光光譜內相差0.5或以上。
本發明之較佳實施例中，延遲補償元件尚包含作用為O-板第三光學各向異性層，該O-板之光軸傾斜於基板表面。第二和第三光學各向異性層之光軸實質上對稱於液晶分子之配向方向。
此外，第二和第三光學各向異性層兩者均為由行結構組成之形狀雙折射，該行結構之配置間距小於可見光光譜所透射之波長。
較佳地，第一至第三光學各向異性層係由無機材料製成，並且該第一至第三光學各向異性層中至少一層係由蒸鍍法製成。
依據本發明之液晶顯示器裝置包含上述延遲補償元件和VA模式之液晶晶胞。在本發明之較佳實例中，液晶顯示器裝置從光源側具有偏光器、VA模式之液晶晶胞、延遲補償元件，以及檢偏器。
依據本發明之液晶投影機包含上述液晶顯示器裝置、將光線投射在該液晶顯示器裝置上之光源、以及用以將由液晶顯示器裝置所調變之光線聚焦在螢幕上之光學系統。在本發明之較佳實施例中，VA模式之液晶晶胞為透射型。在本發明之另一實施例中，VA模式之液晶晶胞為同軸(on-axis)反射型或離軸(off-axis)反射型。
依據本發明，作用為C-板之第一光學各向異性層補償以斜角入射在液晶晶胞上之光線延遲用以加寬液晶顯示器裝置之視角特性，而作用為O-板之第二和第三光學各向異性層補償以直角入射在液晶晶胞上之光線延遲用以將最佳對比方向導引至基板之法線。因此，即使對於未將其液晶分子完全配向為垂直之VA模式的液晶晶胞亦補償其光線延遲。因此，防止廣視角之漏光，並能以優越對比顯示高品質影像。
此外，如果第一至第三光學各向異性層係由無機材料製成，則延遲補償元件將變得耐用而且甚至當液晶投影機以高強度光線照射時亦幾乎不會褪色。
 用於實施本發明的最佳模式
在第1圖中之液晶投影機10具有三個透射型之液晶顯 示面板11R、11G和11B，並將全彩影像投射在銀幕3上。由光源12所產生之白光進入濾光片13，該濾光片從白光移除紫外線和紅外線成份。該白光通過玻璃棒14時變成具有均勻之照明強度分佈。
來自玻璃棒14之白光當通過中繼透鏡(relay lens)15和準直透鏡(collimate lens)16時變成平行光束，並且行進至鏡片17。在鏡片17上反射時，僅透射紅光之兩向色性鏡片18R將白光分成紅色和藍綠色之兩道光束。透射兩向色性鏡片18R之紅色光被反射在鏡片19上並且進入液晶顯示面板11R。
在兩向色性鏡片18R上被反射之藍綠光又被反射綠光之兩向色性鏡片18G分成兩道綠色和藍色之光束。在兩向色性鏡片18G上被反射之綠光進入液晶顯示面板11G。另一方面，將透射兩向色性鏡片18G之藍光在鏡片18B、20上反射並且進入液晶顯示面板11B。
各液晶顯示面板11R、11G和11B具有以下所說明之VA模式之液晶晶胞。液晶顯示面板11R、11G和11B分別顯示紅色，綠色和藍色影像之灰階影像。此外，在液晶顯示面板11R、11G和11B之等距離處放置複合稜鏡24。當各紅光、綠光和藍光通過液晶顯示面板11R、11G和11B時被調變成含影像資訊之影像攜帶光線，並且被具有兩向色性表面24a和24b之複合稜鏡24組合成三種彩色影像光線。透過投射透鏡25將複合影像光線投射在銀幕3上，並且顯示全彩影像。
如第2圖中所示，液晶顯示面板11R從光源側開始，具有偏光器30(入射光側上之偏光板)，液晶晶胞31，延遲補償元件32，以及檢偏器33(出射光側上之偏光板)。偏光器30和檢偏器33配置成正交偏光，以致其吸收軸30a和33a彼此垂直。液晶晶胞31包含一對透明基板35和36，以及由展現向列液晶相位之棒狀液晶分子37的有機化合物所製成之液晶層38。透明基板35和36設有電極(未示出)用來施加電壓，跨接在液晶層38。該配置與液晶顯示面板11G和11B相同。
當未對液晶層38施加電壓時，使棒狀液晶分子配向成垂直於透明基板35。注意到，雖然圖中使棒狀液晶分子37完全配向成垂直，其實際上具有從透明基板35之法線稍微傾斜之預定傾角(預傾角)。預傾角允許當施加電壓時輕易變更水平方向中棒狀液晶分子37之配向。當對液晶層38施加電壓時，使位在液晶層38中間之棒狀液晶分子37配向成平行於透明基板35。
如第3圖中所示，延遲補償元件32從光源側係由抗反射層40、玻璃基板41、作用為負C-板之第一光學各向異性層42、作用為正O-板之第二和第三光學各向異性層43和44、以及另一抗反射層45所組成。
第一光學各向異性層42為具有不同反射率之兩個薄層，TiO2 薄層和SiO2 薄層，所構成之形狀雙折射。該等薄層係交錯堆疊多次形成相同厚度。所形成之第一光學各向異性層42具有在堆疊方向中延伸之光學軸(非光學各向異 性層軸)或玻璃基板41之法線，並且在垂直於法線之表面方向上展現光學各向異性。
明顯地，為了防止堆疊薄層之間的光學干擾，該薄層應儘可能地薄。然而，當使用更減低厚度之這種薄層時，必須增加薄層數量以符合預期延遲所需之總厚度。有鑒於此，各薄層之厚度最佳是在λ/30和λ/10之間，其中，λ係設定在400到700nm可見光波長範圍之間。此外，選定薄層材料使得折射率最大值和最小值之間的差(折射率差)△n變成0.5或以上。如折射率差△n小於0.5，則為了所需的延遲必須增加薄層數量，且因而降低生產率。因此，較佳的是組合TiO2 薄層(折射率n=2.583至2.741)和SiO2 薄層(折射率n=1.4870至1.5442)。高折射率層之材料可為TiO2 或ZrO2 ，低折射率層之材料可為SiO2 或MgF2 。
如第4圖中所示，第二和第三光學各向異性層43和44均為柱狀雙折射，”O-板”，其光軸自玻璃基板41之法線傾斜。”O-板”一詞來自這種結構特性。第二和第三光學各向異性層43和44由普通之傾斜蒸鍍法所製成，具有向上延伸預定傾斜角之透明柱狀結構50。由傾斜蒸鍍法所製備之這種層膜通常為雙軸。該等柱具有產生雙軸光學各向異性之橢圓形橫切面。在馬克利奧德(Macleod)之論文中說明該等薄膜現象，該論文為“薄膜之結構相關的光學特性”，J.Vac.科學技術A，第4冊，第3號，418-422頁(1986)。可使用具有單軸或雙軸材料之O-板。以比光線波長夠短之間距來配置柱狀結構50。光軸51(無折射率各 向異性之方向)位於包含基板法線和蒸鍍方向之平面中。另言之，光軸朝向與傾斜蒸鍍相同的方位方向。
在第二和第三光學各向異性層43和44中，光軸51之方位方向係依據液晶層38中棒狀液晶分子37之預傾角而決定。為說明預傾角和光軸，如第5圖中所示，導入由彼此互相正交之三座標軸(X、Y、Z)所界定之座標系統。例如，在該座標系統中以兩個角度來描述直線52的方向：直線52和Z軸間之極角(polar angle)θ ，和XY-平面上直線52之正交投射與X軸間之方位角(azimuth angle)。此外，使XY-平面配合基板表面，用來說明棒狀液晶分子37之預傾角和第一至第三光學各向異性層42至44之光軸。
如第6圖中所示，當第二和第三光學各向異性層43和44的光軸實質上對稱於液晶分子37之預傾方向時，未施加電壓之液晶層38將提供最佳視角特性。明確的說，以分別離液晶分子37之預傾方向(或傾斜方向)-90至-135度和+90值+135度的方位角設定該等光軸。注意到圖中之X軸對應於偏光器30之吸收軸30a，而且液晶分子之傾斜方向離X軸45度。
如表1中所示，為了從具有液晶分子37傾斜45度方位角以及5度極角，造成+400nm延遲之液晶層38得到最佳視角特性，將第一光學各向異性層42建構為提供-520nm之延遲。然後，將第二光學各向異性層43建構為提供+40nm之延遲並且具有-60度方位角以及45度極角之光軸。此外，將第三光學各向異性層44建構為提供+40nm之延遲並且具有+150度方位角以及45度極角之光軸。因此，第二和第三光學各向異性層43和44之光軸相對於液晶分子之傾斜方向分別形成-105度角和+105度角。第7A圖顯示此狀態下液晶層之對比與視角的關係圖。
另一方面，第7B圖顯示當和僅具第一光學各向異性層42之習知延遲補償元件一起使用時液晶層之對比與視角的關係圖。在該圖中，最佳對比點位移至棒狀液晶分子37之傾斜方向。這意指對前方的觀看者而言對比被降低。反之，在第7A圖中，當液晶層和本發明之延遲補償元件一起使用時，最佳對比點係在圖中心位置。這意指對前方的觀看者而言對比被改善。
接著，說明本發明之第二實施例。在第8圖中，液晶顯示面板60為反射型，且自光源側包括：同時作用為偏光器和檢偏器之偏光板61、延遲補償元件32A、液晶晶胞31、以及反射板62。延遲補償元件32A除了層厚度外，建構為與第一實施例之延遲補償元件32相同。以和表1相同之方式，以下之表2表示延遲補償元件32A特性。
如第9A圖中所示，具有本發明延遲補償元件32A之液晶顯示器裝置在圖中心具最佳對比點。反之，如第9B圖中所示，當和只具第一光學各向異性層42之習知延遲補償元件一起使用時，液晶顯示器裝置之最佳對比點位移至45度方位角。
應該了解的是第一光學各向異性層42不限於蒸鍍之無機薄層，而可構成為例如TAC(三醋酸纖維素)膜之有機膜。又，其可藉由將膽固醇型液晶聚合物塗覆在如薄膜之透明基板上來製造。
用以形成光學各向異性層之蒸鍍法可為化學氣相沉積法(CVD)，或物理氣相沉積法(PVD)，其中，在CVD中引發化學反應而在被安置於經充填揮發性前驅物之腔體中的基板表面上形成薄膜；在PVD中以蒸鍍法或濺鍍法將前驅物粒子沉積在基板上而形成薄層。在以上實施例中，第一光學各向異性層42為負C-板。然而，如將使用之液晶層具負延遲，則將第一光學各向異性層42做成正C-板。此外，必要時可增加層之數量。
雖然同軸使用於第二實施例中之反射型液晶晶胞，使得入射光和出射光遵循相同光程(light path)，但亦可離軸使用反射型液晶晶胞。在該情況中，如第10A圖中所示，將延遲補償元件32A配置接近液晶晶胞31。另外，如第10B圖中所示，可將延遲補償元件32A配置在偏光器30和液晶晶胞31之間或檢偏器33和液晶晶胞31之間。
只要是在該對偏光板之間，延遲補償元件不管配置在何處皆提供相同效果。因此可依據設計因數(design factors)決定延遲補償元件之配置。此外，光學各向異性層之次序不限於以上實施例，並且可依據成層程序(layering process)和其他條件來變更。而且，本發明之延遲補償元件可和液晶晶胞或偏光板整合。
在本發明中可能有各種變更和修飾並且可了解該變更和修飾係屬在本發明之內。
產業上之可利用性
本發明延遲補償元件係使用在液晶顯示器裝置及具有VA模式液晶晶胞之液晶投影機。
3‧‧‧銀幕
10‧‧‧液晶投影機
11R‧‧‧液晶顯示面板
11G‧‧‧液晶顯示面板
11B‧‧‧液晶顯示面板
12‧‧‧光源
13‧‧‧濾光片
14‧‧‧玻璃棒
15‧‧‧中繼透鏡
16‧‧‧準直透鏡
17‧‧‧鏡片
19‧‧‧鏡片
18R‧‧‧兩向色性鏡片
18G‧‧‧兩向色性鏡片
18B‧‧‧鏡片
20‧‧‧鏡片
24‧‧‧複合稜鏡
24a‧‧‧兩向色性表面
24b‧‧‧兩向色性表面
25‧‧‧投射透鏡
30‧‧‧偏光器
30a‧‧‧吸收軸
31‧‧‧液晶晶胞
31a‧‧‧微透鏡
32‧‧‧延遲補償元件
32A‧‧‧延遲補償元件
33‧‧‧檢偏器
33a‧‧‧吸收軸
33b‧‧‧吸收軸
34‧‧‧TFT基板
35‧‧‧透明基板
36‧‧‧透明基板
37‧‧‧液晶分子
38‧‧‧液晶層
39‧‧‧延遲補償層
40‧‧‧抗反射層
41‧‧‧玻璃基板
42‧‧‧光學各向異性層
43‧‧‧光學各向異性層
44‧‧‧光學各向異性層
45‧‧‧抗反射層
50‧‧‧柱狀結構
51‧‧‧光軸
52‧‧‧直線
60‧‧‧液晶顯示面板
61‧‧‧偏光板
62‧‧‧反射板
θ‧‧‧偏光角
‧‧‧方位角
第1圖為依據本發明液晶投影機之示意圖；第2圖為液晶顯示面板之透視圖；第3圖為延遲補償元件之橫切面圖；第4圖為說明O-板結構之概念圖；第5圖為說明方位角和極角之說明圖；第6圖為說明兩個O-板之光軸方向的說明圖； 第7A圖顯示當和依據本發明第一實施例之延遲補償元件一起使用時，視角與液晶層的對比之關係圖；第7B圖顯示當和習知之延遲補償元件一起使用時，視角與液晶層的對比之關係圖；第8圖為依據本發明第二實施例之液晶顯示面板的橫切面圖；第9A圖顯示當配有依據本發明第二實施例之延遲補償元件時，視角與液晶器顯示裝置的對比之關係圖；第9B圖顯示當配有習知之延遲補償元件時，視角與液晶顯示器裝置的對比之關係圖；以及第10A圖和第10B圖為離軸型液晶顯示面板之示意圖。

Claims (11)

  1. 一種延遲補償元件，用以補償出現在VA模式之液晶晶胞中之光線延遲，在液晶晶胞內之液晶分子實質上垂直配向在一對透明基板之間，該延遲補償元件包括：第一光學各向異性層，其具有垂直於該透明基板之光軸，該第一光學各向異性層作用為C-板並補償該光線延遲，該光線以傾角進入該VA模式之液晶晶胞；第二光學各向異性層，其具有傾斜於該透明基板之光軸，該第二光學各向異性層作用為O-板並補償該光線延遲，該光線以直角進入該VA模式之液晶晶胞；以及第三光學各向異性層，其具有傾斜於該透明基板之光軸，該第三光學各向異性層作用為O-板並補償該光線延遲，該光線以直角進入該VA模式之液晶晶胞，其中該第二和第三光學各向異性層之該光軸實質上對稱於該液晶分子配向的方向。
  2. 如申請專利範圍第1項之延遲補償元件，其中該第一光學各向異性層為由多個薄層組成之形狀雙折射(form birefringence)，該等薄層具有不同折射率且厚度小於可見光波長。
  3. 如申請專利範圍第2項之延遲補償元件，其中該第一光學各向異性層由交錯堆疊之兩種薄層組成，該等薄層之 折射率在可見光光譜內相差0.5或以上。
  4. 如申請專利範圍第1項之延遲補償元件，其中該第二和第三光學各向異性層兩者均為由行結構組成之形狀雙折射，該等行結構配置成間距小於可見光光譜透射光之波長。
  5. 如申請專利範圍第1項之延遲補償元件，其中該等第一至第三光學各向異性層係由無機材料製成。
  6. 如申請專利範圍第1項之延遲補償元件，其中該第一至第三光學各向異性層中至少一層係由蒸鍍法製成。
  7. 一種液晶顯示器裝置，其具有：VA模式液晶晶胞，其中液晶分子係實質上垂直配向在一對透明基板之間；以及延遲補償元件，用以補償出現在該VA模式之液晶晶胞中之光線延遲，該延遲補償元件包括：第一光學各向異性層，其具有垂直於該透明基板之光軸，該第一光學各向異性層作用為C-板並補償該光線延遲，該光線以一傾角進入該VA模式之液晶晶胞；第二光學各向異性層，其具有傾斜於該透明基板之光軸，該第二光學各向異性層作用為O-板並補償該光線延遲，該光線以直角進入該VA模式之液晶晶胞；以及第三光學各向異性層，其具有傾斜於該透明基板之光軸，該第三光學各向異性層作用為O-板並補償該光線延遲，該光線以直角進入該VA模式之液晶晶胞，其中該第二和第三光學各向異性層之該光軸實質上 對稱於該液晶分子配向的方向。
  8. 如申請專利範圍第7項之液晶顯示器裝置，其中尚包括：一對配置成正交偏光(crossed nicols)之偏光板，安置在該VA模式之液晶晶胞之前和該延遲補償元件之後。
  9. 一種液晶投影機，其具有：一液晶顯示器裝置，其具有液晶分子實質上垂直配向在一對透明基板之間的VA模式液晶晶胞；用以將光線投射在該液晶顯示器裝置上之光源；用以將由該液晶顯示器裝置所調變之該光線聚焦在銀幕上之光學系統；以及用以補償出現在該VA模式之液晶晶胞中之光線延遲的延遲補償元件，該延遲補償元件包括：第一光學各向異性層，其具有垂直於該透明基板之光軸，該第一光學各向異性層作用為C-板並補償該光線延遲，該光線以傾角進入該VA模式之液晶晶胞；第二光學各向異性層，其具有傾斜於該透明基板之光軸，該第二光學各向異性層作用為O-板並補償該光線延遲，該光線以直角進入該VA模式之液晶晶胞；以及第三光學各向異性層，其具有傾斜於該透明基板之光軸，該第三光學各向異性層作用為O-板並補償該光線延遲，該光線以直角進入該VA模式之液晶晶胞，其中該第二和第三光學各向異性層之該光軸實質上對稱於該液晶分子配向的方向。
  10. 如申請專利範圍第9項之液晶投影機，其中該液晶顯示器裝置為透射型裝置而透射該光線。
  11. 如申請專利範圍第9項之液晶投影機，其中該液晶顯示器裝置為反射型裝置而反射該光線。
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