專利名稱：具有寬視角的灰度液晶顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶顯示(“LCDS”)，特別涉及一種為提供某種灰度級液晶顯示的裝置和方法，在所述灰度級的液晶顯示中，可以在一個(gè)寬視角范圍內(nèi)均勻地觀察到一些中間層次的透光度。
目前公知的為了改進(jìn)“雙灰度級”的液晶顯示視角的裝置和方法已有多種，如果一種液晶可以在完全透光狀態(tài)與基本不透明狀態(tài)之間切換，則稱其為雙透光級液晶，而某種“灰度級”液晶顯示器則具有中間的附加透光狀態(tài)。雙透光級液晶顯示通常用于便攜式計(jì)算機(jī)的顯示器，而這種灰度液晶顯示則因受到視角過于小的限制只能用于如便攜式電視接收機(jī)等小屏幕裝置。為使彩色灰度液晶顯示有效地應(yīng)用于大屏幕電視機(jī)和計(jì)算機(jī)，有必要增加其視角。
參照

圖1可以清楚地理解視角的各因素。具有前表面12和后表面14的液晶顯示10被位于后表面14后側(cè)的光源16照射。液晶顯示10有一個(gè)視軸18，視軸18是圖中用虛線表示出的通過液晶顯示10前表面12中的法線，觀察者的眼睛在視軸18上的20位置，以“在軸”方式觀看液晶10。如果觀察者的眼睛從軸上移開至位置22，則相對于軸18觀察液晶10的視角為角24。在環(huán)繞觀察圓周26上的任一位置上都可以恒定的視角24觀看液晶顯示10。相對于位于觀察圓周26上的參考點(diǎn)30，在觀察圓周26上的觀察位置的方位角為角28。當(dāng)觀察者觀察液晶10的視角與方位角不同時(shí)，所看到的光的強(qiáng)度、對比度或顏色也不同。根據(jù)液晶10的透光特性和具體場合的要求這個(gè)變化的大小可能是不可接受的。
圖2A、2B和2C為一種已有技術(shù)的扭曲絲狀液晶顯示的、在其在軸和30度視角時(shí)圍繞觀察圓周26的透光百分率變化曲線，三個(gè)圖對應(yīng)的在軸透光度分別為0，36%和100%，理想液晶的透光率曲線應(yīng)是環(huán)繞視軸18的同心圓，對任何視角都應(yīng)如此。圖2A和2C分別顯示了接近理想情況的透光曲線32和34，它們分別代表0和100%(雙層次)透光度。然而，圖2B顯示了當(dāng)在軸透光環(huán)36的透光度為36%時(shí)，在30度視角的透光特性退化成一不對稱的透光率曲線38，環(huán)繞觀察圓周26，其變化范圍從2%至93%。因而，隨著在任何位置上從“黑”到“白”的變化過程，觀察者都可看到一預(yù)期的36%的透光度，很明顯，這個(gè)變化是不可接受的。
圖3示出一種已有技術(shù)的扭曲絲狀液晶盒40，它具有在圖2A，圖2B和圖2C中所示出的透光特性。圖2B所示的那種離軸透光率的變化是由扭曲絲狀液晶盒40中的指向矢場41的不對稱性而引起的。指向矢場41排列在一對平行電極42A和42B之間，它含有細(xì)長的液晶指向矢43A至43G(圖中用線段示出)，每個(gè)指向矢的方向都與線段所指的方向相同。
通過假設(shè)一假想的對稱平面44(圖中用虛線表示)將扭曲絲狀液晶盒平分來確定指向矢場的對稱或不對稱，該假想平面平行于平行電極42A和42B，且與二者等距離。如果指向矢場41是對稱的，那么在電極42A與對稱平面44之間的指向矢的位置和排列應(yīng)與相對應(yīng)的電極42B與對稱平面44之間的指向矢的位置和排列成鏡像對稱。如果在電極42B和對稱平面44之間的指向矢場41的這一半，可以翻轉(zhuǎn)疊合在位于電極42A與對稱平面44之間的指向矢場的另一半之上，即在兩半中相對應(yīng)的指向矢是立體疊合的，則鏡像對稱性存在。實(shí)際上指向矢43A、43D和43G分別處于平面42A、44和42B上，并相互之間扭轉(zhuǎn)一定角度。很明顯，鏡像對稱是不可能的，因而指向矢場41是不對稱的。
可調(diào)雙折射型儀器也已用于液晶顯示裝置，其中指向矢通常是未扭轉(zhuǎn)的。相反，指向矢通常與假想的垂直于液晶盒電極的剖面處于同一平面。
圖4是這種已有技術(shù)的可調(diào)雙折射液晶顯示盒60的剖面放大視圖，在它的一對透明電極64之間有一個(gè)大體上共面的、不對稱的指向矢場64。與透明電極64接觸的指向矢稱為表面接觸指向矢66，其余所有的指向矢稱為體指向矢68。在盒60中任意一點(diǎn)的雙折射率，進(jìn)一步說，透光性是光線與相交的指向矢之間夾角的函數(shù)。當(dāng)光線傳導(dǎo)方向與相交的指向矢平行時(shí)，雙折射率最小，而當(dāng)光線傳導(dǎo)方向垂直于相交的指向矢時(shí)，雙折射率最大。因此，液晶盒60的有效雙折射率及有效透光率是光束穿過液晶盒60時(shí)，與所經(jīng)過的所有指向矢的平均夾角的函數(shù)。
例如，施加在透明電極64上的電位將指向矢場62保持在一個(gè)足夠強(qiáng)的電場內(nèi)，通過整個(gè)液晶盒60產(chǎn)生一個(gè)中間層次透光度。一束光線70以夾角72射入液晶盒60，因?yàn)楣饩€70的傳導(dǎo)方向稍平行于大多數(shù)指向矢66和68，所以其有效光雙折射率最小。而另一束光74以相反的夾角72射入液晶盒60，因?yàn)楣饩€74的傳播方向稍不平行于大多數(shù)指向矢66和68，所以其有效光雙折射率較大。
一個(gè)固定在一對互相正交線性偏振片之間的可調(diào)雙折射液晶盒的透光系數(shù)T(其值范圍為0.0到1.0)，可用以下等式計(jì)算T＝Sin2(π△n'd/λ)。
在此，含有共面指向矢的假想平面與線性偏光片的偏光軸呈45度角，λ是入射光的波長，d是電極64之間的距離76，△n'是液晶盒的有效雙折射率。
圖5示出如圖4中所示的可調(diào)雙折射液晶盒在視角為30度、在軸透光度為50%時(shí)，環(huán)繞觀察圓周26的透光率變化曲線78。液晶盒60的有效雙折射率的變化是視角和方位角(也是光線的傳播角)的函數(shù)，這種有效雙折射率的變化引起液晶盒60的透光率的不可接受的變化。
再參照圖1，30度的視角并不是特殊的。例如，如果液晶顯示10的對角線尺寸48為53厘米(21英寸)，觀察者的眼睛位于位置20，距液晶顯示10的距離50為46厘米(18英寸)，那么觀看液晶顯示10的角部52時(shí)的視角54就大約是30度。因而，在計(jì)算機(jī)屏幕的最佳觀看條件下，如果顯示中的一些區(qū)域不處于30度視角范圍內(nèi)就不可能觀看到整個(gè)21英寸的液晶顯示屏。當(dāng)然，觀察者不可能總是與液晶顯示10的視軸18同軸，并且這個(gè)角對于一群觀察者中的個(gè)別人來說，還要更大。這種情況防礙了彩色和灰度液晶顯示用于大屏幕計(jì)算機(jī)和電視。因?yàn)椴噬突叶纫壕э@示只限用于小型手提式儀器，所以許多觀察者都沒認(rèn)識到灰度視角問題。
“象素”是液晶顯示屏上最小的可尋址的透光單元，一個(gè)典型的液晶顯示屏上含有成千個(gè)可尋址象素。每個(gè)單獨(dú)的象素都具有與整個(gè)液晶顯示屏同樣的視角特性。在具有很多可尋址象素的液晶顯示屏上，每個(gè)象素都可被認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立的液晶顯示盒。然而，有些液晶顯示屏也使用單個(gè)大的液晶顯示盒來覆蓋整個(gè)顯示表面。因而，液晶顯示屏可具有少至一個(gè)、多至上千個(gè)液晶顯示盒。本發(fā)明對所有這些液晶顯示屏都同樣適用。
以前，技術(shù)人員試圖用多維象素的方法來解決灰度液晶顯示的視角問題，在這些方法中，某一維象素的指向矢相對另一維象素的指向矢轉(zhuǎn)過180度角，因而應(yīng)將互成角度入射的光線的有效雙折射率取平均，以改善這種液晶顯示的視角性能。K.H.Yang發(fā)表在“Proceedings of the International Display Research Conference，IEEE，August 1991，PP.68-72”上的題為“Two-Domain Twisted Nematic and Titted Homeotropic Liquid Crystal Display for Active Matrix Applications”的文章描述了一種在水平視軸上視角性能改善了的扭曲絲狀二維象素顯示。
在發(fā)表在“SID Digest，1991，PP.758-761”“Clerc”上的J.C.Clerc的題為“Vertically Aligned Ligquid-Crystal Display”和發(fā)表在“SID”Digest，1992，PP.405-408“Ong”上的H.L.Ong的題為“Multi-Domain Homeotropic Lco With Symmetrical Augular Optical Performance”的兩篇文章中，描述了另一種使指向矢與光線相校準(zhǔn)的方法。兩篇文章都描述了用垂面排列的絲狀(“VAN”)液晶盒(具有各向異性的負(fù)介電性能，這些液晶盒具有同向排列液晶指向矢)來提高視角性能。這種液晶盒內(nèi)部的指向矢場是不對稱的。Clerc和Ong認(rèn)為，如果這種液晶盒要達(dá)到滿意的視角，就需要多維象素。可是，多維象素液晶顯示屏通常比較昂貴，不易制作，且在象素維之間存在著光散射壁，因而會降低液晶盒的對比度。
Ong也描述了用負(fù)雙折射率補(bǔ)償板來提高二維垂面排列絲狀液晶顯示的視角特性。在1987年9月4日公布的第2，595，156號法國專利中，Clerc等人以“A Negative Birefringence Controlling Plate for Use with Liquid Crystal Cells”為題，描述了制作這種板的方法。然而，Ong提出用負(fù)雙折射率補(bǔ)償板的方法不能明顯地改善液晶顯示的視角特性，而且還會降低可視性。
圖6A和6B(從Ong文章中復(fù)制)分別是在有負(fù)雙折射率補(bǔ)償板和無負(fù)雙折射率補(bǔ)償板兩種情況下，二維垂面排列絲狀液晶顯示在四個(gè)灰度透光度上的透光率作為相對于水平軸構(gòu)成的視角的函數(shù)曲線。對于如圖6A所示的無補(bǔ)償液晶盒當(dāng)視角從0變化到30度時(shí)，4.3伏的透光率曲線從35%變化到46%(變化31%)。而對于如圖6B所示的有補(bǔ)償?shù)囊壕Ш校?.3伏透光率曲線則從66%變到49%(變化25%)。然而，當(dāng)視角從0變化到30度時(shí)，圖6A所示的無補(bǔ)償液晶盒的10伏透光率曲線由95%變到90%(變化5%)，而圖6B所示的有補(bǔ)償液晶盒的10伏透光率曲線變化則是從95%到80(變化15%)。因此，當(dāng)透光率在50%以下時(shí)，負(fù)雙折射率補(bǔ)償板可以改進(jìn)視角，而當(dāng)透光度高于50%時(shí)，負(fù)雙折射率補(bǔ)償板則降低了視角。
在P.T.Bos和K.R.Koehler/Beran發(fā)表在“Molecular Crystals and Liquid Crystals，1984.Vol.113，PP.329-339”上的題為“The Pi-cellA Fast Liquid-Crystal Optical Switching Device”的文章中描述了另一種型式的已有技術(shù)的可調(diào)雙折射液晶盒，通過使用對稱的指向矢場而使快速開關(guān)雙灰度級液晶顯示實(shí)現(xiàn)寬視角。圖7示出了這種對稱液晶顯示盒80的剖面放大圖，這種盒80具有光學(xué)“自補(bǔ)償”指向矢場82和82'，它們相對于處在一對透明電極84和84'之間的液晶盒的中分線呈對稱排列。指向矢場82和82'相對應(yīng)地都含有表面接觸指向矢86和86'，也同樣相對應(yīng)地都含有體指向矢88和88'。
圖8A、8B和8C為對稱晶盒80在軸和30度視角時(shí)圍繞觀察圓周26的透光度百分比的變化情況圖，三個(gè)軸對應(yīng)的在軸透光度分別為0，50%和100%。圖8A和8B分別顯示了當(dāng)透光度分別為0和100%時(shí)，圍繞觀察圓周曲線90和92呈現(xiàn)的滿意的雙層次透光變化。如圖8B所示，與透光度為36%的已有技術(shù)的扭曲狀液晶顯示盒的觀察圓周曲線38(圖2B中所示)相比，透光度為50%的觀察圓周曲線94更為對稱。然而這個(gè)視角透光率從20%到82%的變化仍然是不能接受的。在這方面，這個(gè)透光觀察圓周曲線是類似于扭曲絲狀液晶盒及那些具有可接受的雙層次透光視角而具有不可接受的中間層次透光度視角的其它形式的液晶盒。
因此，需要一種低成本、易制作，具有寬的及均勻的視角特性和高對比度的彩色和灰度液晶顯示器。這種液晶顯示對大屏幕彩色電視顯示器將大有益處。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在不需要多維象素的前提下能在很寬的視角范圍內(nèi)均勻分配中間層次透光度的灰度級的液晶顯示裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種適用于多人觀看的彩色電視或多彩色的計(jì)算機(jī)顯示器的彩色液晶顯示裝置。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種可用簡單的相對廉價(jià)的制作方法制作的液晶顯示器。
根據(jù)本發(fā)明的灰度和彩色液晶顯示盒，在一對偏振片之間綜合使用了具有光學(xué)自補(bǔ)償對稱指向矢場的液晶盒和負(fù)雙折射率補(bǔ)償板。其中對稱的指向矢場使液晶盒具有一個(gè)對稱但灰度或彩色不均勻的觀察圓周曲線，其中的負(fù)雙折射率板改善灰度或彩色視角的均勻性。繪成極坐標(biāo)曲線，對于所有方位角和直到30度的所有視角，標(biāo)志液晶顯示特性的透光百分率曲線大致上是圍繞光學(xué)軸的同心圓。為一彩色液晶盒三元組加上濾色器之后，則為在很寬方位角和視角范圍中具有均勻觀察色彩的多彩顯示提供了基礎(chǔ)。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)將在以下的對其優(yōu)選實(shí)施例的描述中，參照附圖加以說明。
圖1是一個(gè)液晶顯示器的等軸透視圖，圖中示出了包括視角和觀察圓周在內(nèi)的一些幾何參數(shù)。
圖2A、2B和2C為一個(gè)已有技術(shù)的扭曲絲狀液晶盒在其在軸和離軸30度時(shí)圍繞觀察圓周的透光度的極坐標(biāo)圖，三個(gè)圖對應(yīng)的在軸透光度分別為0%、36%和100%。
圖3是一已有技術(shù)扭曲絲狀液晶盒的等軸透視圖，圖中示出不對稱的指向矢場和一個(gè)假想的對稱平面。
圖4是一個(gè)放大了的已有技術(shù)可調(diào)雙折射液晶盒的剖面圖，圖中示出光線射過不對稱的指向矢場。
圖5是圖4所示的可調(diào)雙折射液晶盒當(dāng)在軸透光度為50%時(shí)圍繞其離軸30度的觀察圓周上的透光度的極坐標(biāo)圖。
圖6A示出了一個(gè)已有技術(shù)的垂面排列絲狀液晶盒的透光度與視角和不同液晶盒驅(qū)動電壓的函數(shù)關(guān)系。
圖6B示出了圖6A所示的那種已有技術(shù)的液晶盒加上負(fù)雙折射率板進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償后，其透光度隨視角和不同液晶盒驅(qū)動電壓變化的函數(shù)關(guān)系。
圖7為一個(gè)已有技術(shù)的可調(diào)雙折射液晶盒的切面放大圖，圖中示出光線射入其對稱的指向矢場。
圖8A、8B和8C為如圖7所示的可調(diào)雙折射液晶盒在軸和離軸30度時(shí)圍繞觀察圓周的透光度的極坐標(biāo)圖，三個(gè)圖對應(yīng)的在軸透光度分別為0%、50%和100%。
圖9所示的是，如圖4所示的可調(diào)雙折射液晶盒，經(jīng)負(fù)雙折射率板進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償后，在其在軸透光度為50%時(shí)的圍繞30度離軸觀察圓周的透光度的極坐標(biāo)圖。
圖10是本發(fā)明的灰度液晶顯示盒的分解等軸透視圖，如圖中所示，沿著具有對稱的指向矢場的液晶盒的光學(xué)軸，相關(guān)排列著負(fù)雙折射率補(bǔ)償板和互相正交線性偏振片。
圖11A、11B、11C示出了如圖10所示的液晶盒在其在軸和離軸30度時(shí)圍繞觀察圓周的透光度的極坐標(biāo)圖，三個(gè)圖對應(yīng)的在軸透光度分別為0%、50%和100%。
圖12A、12B、12C為另一個(gè)適用于本發(fā)明的對稱指向矢場的排列的實(shí)施例的示意圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的彩色液晶盒三元組的分解等軸透視圖，如圖中所示，沿著三個(gè)彩色光學(xué)軸，相關(guān)排放著三個(gè)液晶盒三元組部件，每個(gè)液晶盒都有一個(gè)對稱的指向矢場和一個(gè)相應(yīng)的濾色器。
申請人將圖4中所示的可調(diào)雙折射液晶盒加一個(gè)負(fù)雙折射率補(bǔ)償板，以評定這種組合體的可行性。圖9示出了在其在軸透光度為50%時(shí)，圍繞30度視角的觀察圓周26產(chǎn)生的透光度變化曲線95。比較圖5和圖9可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)雙折射率補(bǔ)償板對改進(jìn)透光度曲線的形狀所起的作用很小，因而可以說這種組合體中的負(fù)雙折射率補(bǔ)償板對液晶盒的作用很小。
Bos和Koehler/Beran描述了一種具有對稱指向矢場的可調(diào)雙折射液晶盒，用以使快速開關(guān)雙透光度液晶顯示屏達(dá)到寬視角。按一般常識，對稱的指向矢場不能改進(jìn)灰度液晶顯示的視角。如圖8B所示的具有對稱指向矢場82和82'的可調(diào)雙折射液晶盒80的不可接受的灰度視角特性支持了以上所述結(jié)論。然而，當(dāng)把液晶盒80與一個(gè)負(fù)雙折射率補(bǔ)償板組合時(shí)，則提供了一種意外的視角改進(jìn)效果。
參照圖10，圖11A、11B和圖11C，計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)證明，如果把一個(gè)負(fù)雙折射率補(bǔ)償板110與一個(gè)類似圖7所示液晶盒80的對稱液晶盒相組合，并將它們放在一對平行的正交線性偏振片112和114之間，所形成的改進(jìn)型液晶盒116對應(yīng)于1%、5%和100%透光度具有近似理想的觀察圓周曲線120、122和124。
液晶盒80，補(bǔ)償板110和互相正交的線性偏振片112及114都垂直于光學(xué)軸130排成一列。液晶盒80，補(bǔ)償板110和正交線性偏振片112及114也都具有相互平行的平面參考軸132、134、136和138。對于對稱的液晶盒80，箭頭140指出了其表面接觸指向矢86和86'(如圖7所示)的排列方向，這個(gè)排列方向垂直于平面參考軸132。補(bǔ)償板110具有一個(gè)負(fù)雙折射率軸142，它垂直于板110且與光學(xué)軸130重合。正交線性偏振片112和114具有線性偏振軸144和146，它們分別與各自的平面參考軸138及136成正45度和負(fù)45度角。
液晶盒裝置116是通過對其光學(xué)組件進(jìn)行上述定位并將它們粘接成一個(gè)不可分的整體而構(gòu)成的。透明電極84和84'由一個(gè)常規(guī)電子控制電路147驅(qū)動，以在液晶盒裝置116上產(chǎn)生各種預(yù)定的透光度。
在法國專利第2，595，156號中描述了一種制造負(fù)雙折射率補(bǔ)償板110(一種具有各向異性的負(fù)的光學(xué)性質(zhì)的單軸介質(zhì)，其對稱軸垂直于它的表面)的方法。該方法包括以下幾個(gè)步驟(a)將一層如這類的原始雙折射的熱塑聚合物薄膜Dupont SURLYNR層壓在兩個(gè)玻璃片之間;(b)將所形成的層壓復(fù)合物放到一塑料套中;(c)將該套抽空并將其密封;(d)在層壓復(fù)合物上均勻施加一個(gè)大氣壓的壓力;(e)將含有層壓復(fù)合物的套在蒸汽浴中加熱，直至達(dá)到熱塑聚合物從玻璃態(tài)變化至無雙折射的各向同性狀態(tài)的溫度;(f)將該套從蒸汽浴中取出，于是熱塑聚合物將冷卻，并沿玻璃片限定的并垂直于玻璃片的方向收縮;(g)在該聚合物冷卻后去除壓力。熱塑聚合物恢復(fù)雙折射特性，但其對稱軸垂直于收縮方向。日本東京的Stanley電子有限公司生產(chǎn)合適的負(fù)雙折射補(bǔ)償板。
最好將負(fù)雙折射率補(bǔ)償板110制成厚度148，這個(gè)厚度值按以下方法確定厚度148和補(bǔ)償板110的雙折射率的乘積為液晶盒間隙距離149和對稱液晶盒80的雙折射率的乘積的60%至85%。
有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員都知道補(bǔ)償板110和對稱液晶盒80的雙折射率都是入射光波長的函數(shù)。優(yōu)選的500毫微米的波長是接近可見彩色光譜中間位置的綠光波長。朝向可見光譜邊緣的蘭光和紅光端的其它光波長的光在通過液晶顯示盒116時(shí)不能被理想地補(bǔ)償，并可能會顯示出可見的色彩偏差。用色彩補(bǔ)償光源，合適的濾色器或例如與控制電路147有關(guān)的查尋表這類常規(guī)色彩數(shù)字補(bǔ)償措施等，可以容易地對這種色彩偏差進(jìn)行校正。
現(xiàn)在參考圖7描述了一種對稱指向矢場的光學(xué)自補(bǔ)償效應(yīng)。指向矢場82和82'包含各自的表面接觸指向矢86和86'，也包含各自的體指向矢88及88'。液晶顯示盒內(nèi)任一點(diǎn)的雙折射率的大小都是射過盒內(nèi)這點(diǎn)的光線與同這點(diǎn)相交的指向矢之間的夾角的函數(shù)。當(dāng)光線平行于相交的指向矢時(shí)，雙折射率最小，當(dāng)光線垂直于相交的指向矢時(shí)，雙折射率最大。液晶盒的有效雙折射率是在光線射過該盒時(shí)該光線同通過的所有指向矢所夾的各個(gè)角度的平均值的函數(shù)。
為了進(jìn)行灰度級液晶顯示操作，需要在透明電極84和84'上施加電壓，將對稱指向矢場82和82'保持在足夠強(qiáng)的電場中，以便通過液晶盒80提供一個(gè)中間層次透光度。以角度98射入液晶盒80的光線96，因其傳導(dǎo)方向稍平行于大多數(shù)指向矢86及88，所以在指向矢場82中具有最小的有效雙折射率，又因其傳導(dǎo)方向稍垂直于大多數(shù)指向矢86'及88'，所以在指向矢場82'中的有效雙折射率則較大。對于以角98射入液晶盒80的光線96而言，它的有效雙折射率在液晶盒80的上半部分(即在指向矢場82中)中降低，而在液晶盒80的下半部分中(即在指向矢場82'中)則提高。隨著角98的變化，光線96的有效雙折射率的凈效應(yīng)是一種減小的變化。
公布于1986年4月22日并已轉(zhuǎn)讓給受讓人的第4，853，852號美國專利“ELECTRO-OPTICAL DISPLAY SYSTEM WITH IMPROVEDVIEWING ANGLE”描述了制作對稱指向矢場82和82'的方法。調(diào)整透明電極84上的表面薄膜層100，以使表面接觸指向矢86以+θ的傾角相互平行排列，該傾角是相對于表面薄膜層100沿逆時(shí)針方向測量的。調(diào)整透明電極84'上的表面薄膜層100'，以使那些表面接觸指向矢86'以-θ的傾角相互平行排列，該傾角是相對于表面薄膜層100'沿順時(shí)針方向測量的。將對稱液晶顯示盒80裝配好，使得在透明電極84和84'的表面薄膜層100和100'的相對表面上的表面接觸指向矢86和86'彼此傾斜大小相等但反向的角度。體指向矢88和88'通常如示意圖中對稱指向矢場82和82'所示的那樣對準(zhǔn)表面接觸指向矢86和86'自然排列。
完成所要求的表面接觸指向矢86和86'排列的第一種優(yōu)選方法是需要用聚酰胺作為材料，構(gòu)成相應(yīng)透明電極84和84'上的表面薄膜層100及100'。每個(gè)表面薄膜層都磨成傾角θ，該角的優(yōu)選范圍是3度到5度。
完成所要求的表面接觸指向矢86和86'排列的第二種優(yōu)選方法是需要用一氧化硅作為材料構(gòu)成相應(yīng)透明電極84及84'上的表面薄膜100及100'。這層一氧化硅薄膜是用蒸發(fā)和氣化物沉積法形成的，沉積時(shí)同電極表面成5°角并使氣化物沉積量足以產(chǎn)生10°到30°之間的角度，最好為15°到25°之間的角度。
參照圖10所示，對稱液晶盒80的間隙距離149的大小應(yīng)制成使液晶盒間隙距離149和液晶盒80的雙折射率的乘積至少是0.75。為獲得一致的結(jié)果，在收集同圖5、8、9和圖11有關(guān)的數(shù)據(jù)時(shí)采用了同樣的液晶材料和液晶盒厚度。
灰度級液晶顯示盒裝置116至少是在與光學(xué)軸130成30度角的范圍內(nèi)，在任何方位角對所有灰度層次和所有色彩都具有近似理想的視角特性。此外，液晶顯示盒裝置116不需要多維象素，而使制造相當(dāng)簡單。
例如，作為本發(fā)明一部分的另一個(gè)實(shí)施例綜合使用了無源或有源尋址及模擬或數(shù)字控制電路。此外，液晶盒裝置116可用于不同顯示方式，包括單液晶盒或多液晶盒，反射或透射，彩色或單色及便攜式或大屏幕等顯示方式。
有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員都知道，對稱液晶盒80不只限于可調(diào)雙折射形式，偏振片112和114也不一定要是線性的，正交的，甚或是與幾種形式的對稱液晶盒綜合使用的。同樣，也可以有類似圖12A、12B和12C所示的不同的對稱指向矢場構(gòu)造。
本發(fā)明特別適用于平面屏幕彩色視頻顯示裝置。圖13示出了本發(fā)明的一個(gè)彩色液晶盒三元組150實(shí)施例。(與一種特定顏色有關(guān)的多個(gè)相同元素，在下文中用統(tǒng)一的顏色后綴標(biāo)出，即R＝紅，G＝綠，B＝蘭)。彩色液晶盒三元組150以液晶盒裝置116為基礎(chǔ)，但還包括對稱液晶盒80R、80G、80B和一套相應(yīng)的濾色器152R、152G、152B。
從光源16發(fā)出的白光，沿光通路154R，154G和154B，通過線性偏振片112射入彩色液晶盒三元組150的對稱液晶盒80R，80G和80B中?？刂齐娐?47分別驅(qū)動成對的透明電極84R/84'R，84G/84'G和84B/84'B，來相應(yīng)地控制液晶盒80R，80G和80B的有效雙折射率。線性偏振白光轉(zhuǎn)化成大量由液晶盒80R，80G和80B的有效雙折射確定的橢圓偏振。由液晶盒80R，80G和80B射出的橢圓偏振白光，沿透光通路154R，154G及154B透過，由負(fù)雙折射率補(bǔ)償板110恢復(fù)成線性偏振。相對于線性偏振片112的偏振軸144的白光偏振角是液晶盒80R，80G及80B對白光所產(chǎn)生的橢圓偏振量的函數(shù)。線性偏振白光沿光通路154R，154G和154B射入線性偏振片114，并與其線性偏振軸146成一個(gè)偏振角。沿其各自的光通路154R，154G和154B通過線性偏振片114的白光量同相應(yīng)的偏振角和線性偏振軸146之間的匹配程度有關(guān)。
然后，預(yù)定量的白光可以沿其各自的光通路154R，154G和154B，通過其相應(yīng)的濾色器152R，152G和152B傳輸。圖中為清楚起見，將這些濾色器示于偏振片112和114之外側(cè)。根據(jù)沿各自光通路154R，154G和154B傳導(dǎo)的透光量，觀察彩色液晶盒三元組150的觀察者可以看到各種不同的預(yù)定顏色。
濾色器152，152G和152B的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是將它們與形成對稱液晶盒80的透明電極84R、84G、84B的銦錫氧化層結(jié)合起來。這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例易于制造，并可在寬視角范圍內(nèi)防止彩色視差。
有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員會認(rèn)識到，一般需要用幾千個(gè)彩色液晶盒三元組構(gòu)成一個(gè)彩色液晶顯示屏，而只需要一個(gè)光源，一個(gè)負(fù)雙折射率補(bǔ)償板110和一對正交線性偏振片112和114。同樣，濾色器152R，152G和152B也可單獨(dú)用于每個(gè)光通路，或制成為濾色器條，排列在同一顏色光通路的行或列上。這種彩色液晶顯示的光學(xué)軸一般與光通路154平行，并與由這種多個(gè)彩色液晶盒三元組150制成的顯示屏正交。
在不背離本發(fā)明的基本原理的前提下，上述實(shí)施例還可以有很多種具體的變化形式。因此，不難理解，本發(fā)明除了可以應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和電視接收機(jī)之外，還可用于圖像顯示器。本發(fā)明的范圍只由以下的權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1.一種具有一光軸的灰度級液晶顯示裝置，包括一種在其一對光學(xué)透明電極之間含有液晶材料的液晶盒，所述液晶材料具有排列在其可控的光學(xué)自補(bǔ)償對稱指向矢場構(gòu)形中的指向矢。一個(gè)與所述液晶盒光學(xué)相聯(lián)系的負(fù)雙折射率補(bǔ)償板；和用于透明電極的控制電路，所形成的電場可調(diào)整對稱指向矢場的構(gòu)形，以控制外部光通過液晶顯示器的預(yù)定透光度，據(jù)此，所述對稱指向矢場與所述負(fù)雙折射率補(bǔ)償板互相配合操作，以便對在至少三個(gè)預(yù)定層次的透光度中的每一個(gè)透光度，在相對于光學(xué)軸的寬范圍內(nèi)的任一方位角和任一視角內(nèi)提供均勻通過所述顯視的透光度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的液晶盒和所述的補(bǔ)償板置于一對平行的線性偏振片之間，這對偏振片具有基本上垂直的偏振軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述的對稱指向矢場包括接觸指向矢，該指向矢按一個(gè)角度排列成一角度，該角度基本上平分由所述二個(gè)線性偏振片的偏振軸所夾的角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于一個(gè)光源產(chǎn)生外部發(fā)生光，且所述的液晶顯示是透光型的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的負(fù)雙折射率補(bǔ)償板具有對500毫微米左右波長的光最優(yōu)化的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的負(fù)雙折射率補(bǔ)償板具有基本上平行于所述液晶顯示的光學(xué)軸的負(fù)雙折射率軸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其視角范圍為相對于光學(xué)軸從0至30度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于其方位角范圍為圍繞著光學(xué)軸從0至360度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的至少三個(gè)預(yù)定的透光度包括一種處于光源所能產(chǎn)生的最大透光度的25%至75%范圍內(nèi)的中間層次透光度。
10.一種具有一光學(xué)軸的彩色液晶顯示裝置，包括一個(gè)由三個(gè)液晶盒構(gòu)成的組合，每個(gè)液晶盒都具有裝在其一對光學(xué)透明電極之間的液晶材料，所述的液晶材料具有排列在其可控的光學(xué)補(bǔ)償對稱指向矢場構(gòu)形中的指向矢;位于每個(gè)液晶盒各自的光傳導(dǎo)通路上的濾色器，每個(gè)濾色器對應(yīng)其有關(guān)的液晶盒可通過一種不同的原色波長的光;與所述的液晶盒光學(xué)相關(guān)的負(fù)雙折射率補(bǔ)償板;和一個(gè)為與每一液晶盒相連接的透明電極提供電場、形成電勢以使預(yù)定顏色的可見光透過所述的液晶顯示器的控制電路，據(jù)此，所述的對稱指向矢區(qū)域和所述的負(fù)雙折射率補(bǔ)償板相互配合，在相對于光學(xué)軸的寬范圍內(nèi)的任一方位角和任一視角上通過所述的液晶顯示器為至少16種預(yù)定顏色中的每一種顏色提供一個(gè)均勻可見的顏色透過。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述的液晶盒和所述的補(bǔ)償板被放在一對具有基本垂直的偏振軸的相互平行的線性偏振片之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述的對稱指向矢場都具有接觸指向矢，該指向矢排列成一角度，該角基本上平分由所述二個(gè)線性偏振片的偏振軸所形成的角。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于它還具有一個(gè)光源，且所述的液晶顯示是透光型的。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述的負(fù)雙折射率補(bǔ)償板具有對500毫微米左右波長的光最優(yōu)化的厚度。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述的負(fù)雙折射率補(bǔ)償板具有一個(gè)基本上平行于所述液晶盒的光學(xué)軸的負(fù)雙折射率軸。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于它的視角范圍為相對于光學(xué)軸從0至30度。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于其方位角范圍是圍繞所述光學(xué)軸從0至360度。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述的至少16種預(yù)定顏色可以擴(kuò)展成至少256種預(yù)定顏色。
全文摘要
一種灰度液晶顯示盒裝置(116)，綜合使用了一具有對稱指向矢場(82，82′)的液晶顯示盒(80)和一負(fù)雙折射補(bǔ)償板(110)，并將它們放在一對線性偏振片(112，114)之間。對稱的指向矢場在液晶盒上產(chǎn)生一種對稱的但不一致的灰度級或彩色觀察圓周曲線(100)。負(fù)雙折射率補(bǔ)償板改善了灰度或彩色視角的均勻性。畫成極坐標(biāo)圖，在任何方位角(28)和最大可到30度的任何視角(24)下，所測得的標(biāo)志液晶顯示特性的透光百分率曲線(120，122，124)大致上都是圍繞光學(xué)軸(18)的同心圓。
文檔編號G02F1/13363GK1098533SQ9410329
公開日1995年2月8日 申請日期1994年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月3日
發(fā)明者P·J·博斯 申請人:特克特朗尼克公司