CN101548223B - 自补偿准垂直液晶器件 - Google Patents

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Abstract

一种自补偿准垂直液晶器件(100，200，300，400)，其克服了较小的预倾角的对比降低效应。所述器件表现出极高的对比度并同时抑制在高像素密度和小像素尺寸的准垂直显示器中的边缘场引起的向错线。表面预倾角(520，540)以及单元扭曲角(570)被设定为具体的值，所述设定值的结合有助于为正常入射光建立在对比度中的尖奇点(cuspate singularity)以响应将液晶器件转换到关闭指向矢场状态的驱动信号，其中所述关闭指向矢场状态提供接近0％的光学效率。关闭指向矢场状态对应亚阈值的驱动级，其为液晶器件提供平面内光学延迟的自补偿。设定单元间隙(“d”)以提供基本100％的光学效率，从而响应将液晶器件转换到开启指向矢场状态的驱动信号的值，进而达到液晶器件的最佳动态范围。

Description

自补偿准垂直液晶器件
相关申请
本申请要求于2006年8月3日提交的编号为60/835,586的美国临时专利申请的权益。
技术领域
本发明涉及液晶器件，并且特别地涉及准垂直液晶器件，其被配置以抑制向错线缺陷并自补偿平面内光学延迟，从而表现出极高的对比度和快速的光电响应。
背景技术
液晶器件包含两个基本平行的基底表面，其被单元间隙分隔，单元间隙填充有一层液晶材料，进而形成液晶单元。基底可以在其内表面被修整从而限定接触这些表面的液晶指向矢的对齐。液晶器件的使用在显示系统中是普遍的。在一类液晶显示器中，用于施加纵向电场的电极被置于每个基底的内表面，液晶材料具有正介电各向异性，并且基底内表面被修整以引起液晶指向矢对齐以平行所述表面或与所述表面成小角度。这种显示器的示例是反射自补偿扭曲列向(SCTN)模式显示器，其由K.H.Yang在Eurodisplay，449-451(1996)中描述。SCTN显示器具有从60°到65°的扭曲角，并且入射线性偏振光的偏振方向将SCTN单元的扭曲角一分为二。选择自补偿的名称是因为，在电转换到开启(ON)状态，其优选为黑状态，在线性偏振光元件之间由上边界层旋转引起的相位位移被下边界层的旋转修正，这样极化元件再次同相。由Yang报告的SCTN模式显示器具有超过270的对比度。虽然在1996年270的对比度被认为是高值，其现在被认为不适于用于前或后投影电视应用中，其中超过2000的对比度是普遍的。
在另一类液晶显示器中，用于施加纵向电场的电极位于每个基底的内表面上，液晶材料具有负介电各向异性，并且基底内表面被修整以引起液晶指向矢垂直对齐或接近垂直于基底表面的平面，从而形成上至90°的表面倾角或预倾角。这些类型的显示器被称为垂直配向(VA)模式、垂直或准垂直显示器并提供比在SCTN模式可达到的对比度更高的对比度。这类显示器可以在透射模式或反射模式下操作。这种透射模式显示器的示例是目前用于许多当前可用的平板计算机监示器和电视的屏幕。反射模式显示器包括某些硅上液晶(LCoS)成像器件，其用于近眼和投影应用。
当接触基底表面的液晶指向矢被完美地对齐以垂直于基底表面时，贯穿层的不接触指向矢的表面，包括层的中平面，同样被完美地垂直对齐。对于这个特殊情况，沿正交于基底表面方向的光的传播不存在双折射。在这个状态的跨越一对交叉偏光器的漏光可以是非常小的，这导致极高的对比度，这是因为对比度仅被使用的光偏光器系统的效力限制。然而，这个完美的垂直指向矢配饰不能实践于显示器，这是因为当电场被施加以倾斜指向矢进而转换显示器为开启或光学明亮状态时，不存在指向矢倾斜的限定方向。这种倾斜的不明确性导致贯穿层的不可预测的域线和暗区。
通过修整基底表面以将预倾角从90°减小到更小的值，从而破坏对称并产生所谓的准垂直指向矢构造，可以克服这种倾斜的不明确性。例如，通过用如SE-1211定向聚合体的特殊聚合体涂覆表面，并用绒布单向摩擦可以产生这种预倾角，所述SE-1211定向聚合体可从尼桑化工有限公司(Nissan Chemical Industries，Ltd.)获得。可代替的，基底表面可以通过从一个或多于一个斜角真空沉积如SiO2的材料被修整。对这种准垂直结构施加电场导致可预测的且良好限定的指向矢场贯穿整个液晶层，这导致不带有任何域或暗区的均匀的亮度显示。但是小于90°的预倾角的引入降低了显示的对比度，这是因为正交于基底表面平面的光的传播遭遇平面内延迟，这在电转换为关闭(OFF)或光暗状态下引起光漏。
虽然非常接近90°的预倾角足以破坏垂直对称，但85°或更小预倾角在实际的显示器中通常是需要的。这是因为在实际的显示器件中，无论是直视的TFT LCD器件或用于HDTV设计的小封装LCoS成像器件，显示器均包含许多小像素并且在像素之间产生的电边缘场会引起不接触液晶指向矢的表面在错误的方向上倾斜并导入不能采用的向错畴。这些畴不仅引起在亮像素中的暗图案和不可用图案，而且也是长光电响应的，这是极不希望的并会引起如“拖尾”的现象。在基底表面的更小预倾角将倾向于抑制边缘场引起的向错线的出现。然而，即使预倾角在85°到88°范围内，也会引起对比度的显著降低。对比度的这种降低在LCoS成像器件中可能更加显著，这是因为更小像素产生的更大边缘场会需要和75°一样小的预倾角以抑制不可用的域。
使情况更糟的是，准垂直显示器的关闭状态通常不在0伏操作，而在低于阈值驱动电压V0下操作以保证最佳开启状态驱动电压V1在驱动电路的动态范围限制V1-V0内。非零亚阈值的电压引起进一步的对比度降低，这是因为不够真实的阈值，不接触指向矢的表面的倾斜甚至超过它们在零伏时的倾斜，这进一步增加平面内延迟。
发明内容
公开的液晶器件的优选实施例克服了在准垂直显示器内更小预倾角的对比度降低影响，允许均匀，无畴，高亮度并且快转换的性能并带有由使用的光偏光器系统的质量限制的极高对比度。优选实施例采用的器件设计展现出极高的对比度，并同时抑制在高像素密度和小像素尺寸的准垂直显示器中边缘场引起的向错线，并由此消除由这种拓扑缺陷造成的慢动态。优选的实施例达到这种性能，即使当显示器的暗状态操作在非零的亚阈值的关闭指向矢场状态驱动电压V0。
优选的实施例克服在准垂直显示器内更小预倾角的对比度降低作用。表面预倾角和单元扭曲角被设置在一定的值，所述值的组合有助于建立对正常入射光的对比度内的尖奇点，从而响应将液晶器件转换到关闭指向矢场状态的驱动信号，这提供了接近0％的光学效率。关闭的指向矢场状态对应于亚阈值的驱动级，该驱动级提供给液晶器件对平面内光学延迟的自补偿。设置单元间隙以提供基本100％的光学效率以响应驱动信号的值，所述驱动信号转换液晶器件到开启指向矢场状态以达到液晶器件的最佳动态范围。在另一个优选实施例中，单元厚度被选择以小于提供100％光学效率的单元的单元厚度，从而实现，例如，更快的开关器件。在这个优选实施例中，在关闭状态的光学效率仍然接近0％，而在开启状态的光学效率可以小于100％。
优选实施例的操作基于开启和关闭的指向矢场状态，并特别基于关闭的指向矢场状态。在给定施加电压下的指向矢场状态由在液晶层内每个点的液晶指向矢的方向限定。这可以被便利地通过倾角和扭曲角廓形来表示，所述廓形显示从液晶层顶部到底部的倾角和扭曲角的空间分布。以这种形式表示的开启和关闭的指向矢场状态的示例在图8A和8B中给出。指向矢场状态也存在于施加电压在关闭的施加电压V0和开启的施加电压V1之间。这些指向矢场状态被认为是中间指向矢场状态并存在于显示中间灰阶的器件中。在另一个优选实施例中，为达到更快的转换速度，关闭状态的施加电压可以在设置到V0前(负脉冲信号)初始地小于最优V0，并且开启状态的施加电压可以在设置到V1(正脉冲信号)前初始地大于V1。这种驱动技术对本领域技术人员是公知的，如R.McCartney在2003 Society forInformation Display Digest of Technical Papers，1350-53页中描述的类型。
附图简述
图1A、1B、1C和1D分别是在透射有源矩阵显示器、反射有源矩阵显示器、透射光敏显示器以及反射光敏显示器中使用的液晶器件的四个实施例的横截面图。
图2是说明了在图1A、1B、1C和1D中显示的任意一个实施例的液晶单元内的指向矢的图表。
图3展现了优选实施例中一个示例的显示了作为三个不同预倾角在5伏的开启指向矢场状态驱动电压下达到100％的光效率所需要的单元扭曲角的函数的单元间隙的图示。
图4A、4B、4C和4D展现了优选实施例中一个示例，其中通过减小预倾角由边缘场效应引起向错线的抑制，以及这种降低对通过开启状态和关闭状态的像素的光透射的影响。
图5展现了优选实施例的一个示例，其中在80°预倾角的状态下，显示作为对于三个不同亚阈值的驱动电压的单元扭曲角的函数的对比度的图示。
图6展现了优选实施例的一个示例，其中在80°预倾角的状态下，显示作为亚阈值的驱动电压的函数的自补偿单元扭曲角的图示。
图7A和7B展现了优选实施例的一个示例，其中分别显示在80°预倾角和140°单元扭曲角的情况下线性标度和对数标度光电传递函数的图示。
图8A和8B展现了优选实施例的示例，其中分别显示了在倾角廓形和扭曲廓形下的关闭和开启的指向矢场状态的图示。
图9展现了在零亚阈值的电压情况下的优选实施例的示例，该图显示作为对于三个不同预倾角的单元扭曲角的函数的对比度。
图10展现了在零亚阈值的电压的情况下的优选实施例的示例，该图显示了对于75°、80°和85°预倾角的遍及单元的液晶指向矢倾角的分布，其通常称为倾角廓形。
图11展现了两个基底上预倾角都是80°的优选实施例的示例，该图显示了为达到在5伏开启指向矢场状态驱动电压下100％的光学效率的液晶构造所需要的单元间隙，其中单元间隙作为液晶材料中内在扭曲的四个不同量的单元扭曲角的函数。
图12展现了在亚阈值的电压是零并且两个基底上的预倾角是80°的优选实施例的示例，该图显示了对比度作为液晶材料中内在扭曲的四个不同量的单元扭曲角的函数。
图13展现了在两个基底上的预倾角是80°的优选实施例的示例，这两个图显示了作为单元扭曲角函数的在液晶材料中内在扭曲的两个不同量的情形下的对比度和它们对应的亚阈值的电压。
图14展现了优选实施例的示例，该图比较作为单元扭曲角函数的被设置以在反射显示器内5伏下获得100％光学效率的偏光器方位角与透射显示器的对应偏光器方位角。
图15展现了优选实施例的示例，该图将作为单元扭曲角函数的用于在5伏的开启指向矢场状态驱动电压达到100％光学效率的反射液晶器件所需的单元间隙与用于在5伏的开启指向矢场状态使电压达到100％光学效率的透射液晶器件所需的单元间隙的一半相比较。
图16展现了在80°预倾角情况下优选实施例的反射器件的示例，该图显示了对于亚阈值的驱动电压V0＝0V和V0＝1.381V时作为单元扭曲角函数的对比度。
图17展现了在80°预倾角和121°扭曲角下优选实施例的反射器件的示例，该图为在器件没有外在补偿下的等对比度图。
图18展现了在80°预倾角和121°扭曲角下优选实施例的反射器件的示例，该图为在器件被外在负C延迟板补偿下的等对比度图。
图19展现了在80°预倾角和121°扭曲角下优选实施例的反射器件的示例，该图为在器件被外在负C延迟板和外在正A延迟板补偿下的等对比度图。
图20展现了图17、18和19描述的系统的优选实施例的反射器件的示例，该图显示了作为f个投射光学器件的函数的对比度。
具体实施方式
如1A、1B、1C和1D说明的液晶器件的四个基本实施例的示例。图1A显示透光有源矩阵液晶器件100，其包含置于第一线性偏光器105和第二线性偏光器106之间的液晶单元。液晶单元包含光透射或透明第一基底110、第一电极结构115、第一定向层120、液晶材料层125，该液晶材料层125的指向矢被定向为依照本公开的准垂直自补偿配置；液晶单元还包含第二定向层130、第二电极结构135以及光透射第二基底140。透射第一基底110和透射第二基底140可以由玻璃、塑料或其它光透射或透光材料制成。第一电极结构115例如是氧化铟锡(ITO)的连续膜；而第二电极结构135可以是单个ITO像素电极，每个像素电极与一个或多于一个的有源元件相关，如多晶硅薄膜晶体管(p-Si TFT)。第一定向层120和第二定向层130可以是，例如SE-1211定向聚合物，其通过用柔软织物或绒布单向刷聚合物表面的修整以产生预倾角。液晶材料层125可以包含例如商业液晶混合物MerckMLC-7062-100，其具有负介电各向异性。
图1B显示了反射有源矩阵液晶器件200，其包含置于极化分光器107后面的液晶单元。液晶单元包含透射第一基底110、第一电极结构115、第一定向层120、液晶材料层125，液晶材料层125的指向矢依照本公开被定向为准垂直自补偿构造；液晶单元还包括第二定向层130、光反射第二电极结构235以及第二基底240。透射或透明第一基底110可以由玻璃、塑料或其它光透射材料制成。对于硅上液晶(LCoS)显示器，第二基底材料240由单晶硅形成。第一电极结构115是例如连续的ITO膜，而第二电极结构235可以是独立的反射金属像素电极、每个与一个或更多有源元件如硅晶体管关联。第一定向层120和第二定向层130可以是，例如，SE-1211定向聚合物，其通过用柔软织物单向刷聚合物表面的修整以产生预倾角。液晶材料层125可以包含例如商业液晶混合物Merck MLC-7026-100。
图1C显示了透射光敏液晶器件300，其包含置于第一线性偏光器105和第二线性偏光器106之间的液晶单元。所述液晶单元包含透射第一基底110、第一电极结构115、第一定向层120、液晶材料层125，液晶材料层125的指向矢依照本公开被定向为准垂直自补偿构造；液晶单元还包括第二定向层130、光导层333、第二电极结构335以及光透射第二基底340。透射第一基底110和透射第二基底340可以由玻璃、塑料或其它光透射材料制成。第一和第二电极结构115和335可以是，例如连续的ITO膜。光导层333可以是，例如，氢化无定形碳化硅，如Akiyama等在Applied Optics第32卷6493-6500页(1993)所描述。第一定向层120和第二定向层130可以是，例如，SE-1211定向聚合物，其通过用柔软织物单向刷聚合物表面的修整来产生预倾角。液晶材料层125可以包含例如商业液晶混合物Merck MLC-7026-100。
图1D显示了反射光敏液晶器件400，其包含置于极化分光器107后面的液晶单元。液晶单元包含透射第一基底110、第一电极结构115、第一定向层120、液晶材料层125，液晶材料层125的指向矢依照本公开被定向为准垂直自补偿构造；液晶单元还包括第二定向层130、介电镜431、光导层433、第二电极结构435以及透射第二基底140。透射第一基底110和透射第二基底140可以由玻璃、塑料或其它光透射材料制成。第一和第二电极结构115和435是，例如连续的ITO膜。介电镜431由多层透射材料组成，所述透射材料均具有交替的高和低折射指数。光导层433可以是例如CdSe。第一定向层120和第二定向层130可以是，例如，SE-1211定向聚合物，其通过用柔软织物单向刷过聚合物表面的修整以产生预倾角。液晶材料层125可以包含例如商业液晶混合物Merck MLC-7026-100。
图1A、1B、1C和1D显示的元件表示说明四个实施例的工作原理所需要的最小设置。由这些实施例表征的实际显示器中可以存在其他元件，但出于清楚目的，这些额外的元件从图1A、1B、1C和1D中省略。例如，某些像素晶体管特征没有被给出。同样，可能存在的颜色过滤层和单元间隔元件和密封元件没有被给出。为在斜光入射下增加对比度并减小色偏可能需要的额外延迟层也被忽略。
图2给出了准垂直自补偿液晶材料125的更详细的视图。第一修整定向层120和第二修整定向层130被单元间隙d分隔，获得具有负介电各向异性的向列液晶材料层。向列液晶材料是单轴液晶，其局部光轴被定向为由称作指向矢的向量限定的方向。锚定在第一修整定向表面120的接触指向矢510的定向表面与第一修整定向表面120成预倾角520。锚定在第二修整定向表面130的接触指向矢530的定向表面与第二修整定向表面130成预倾角540。接触指向矢510的第一定向表面在第一修整定向表面120上的投影限定第一投影定向方向550。接触指向矢530的第二定向表面在第二修整定向表面130上的投影限定第二投影定向方向560。在第一和第二投影定向方向550和560之间存在偏置角570。偏置角570的范围在+180°和-180°之间。对于正偏置角570，当从负z轴向下看去，第二投影定向方向560从第一投影定向方向550逆时针旋转，而对于负偏置角570，当从负z轴向下看去，第二投影定向方向560从第一投影定向方向550顺时针旋转。不接触指向矢580的表面相对于定向层表面120和130成倾角590。不接触指向矢580的表面在平行于定向层表面120和130的平面上的投影限定不接触投影定向方向595的表面。不接触投影定向方向595的表面依赖于在第一修整定向层表面120(z＝d)和第二修整定向层表面130(z＝0)之间沿z轴的位置。单元的扭曲角Φ被整个旋转角度限定，其中不接触投影定向方向595的表面沿从z＝0到z＝d的距离延伸。对于所描述的实施例，单元扭曲角Φ等于偏置角570，其中正偏置角570产生右手单元扭曲角而负偏置角570产生左手单元扭曲角。
用于支持公开的优选实施例描述的仿真假设强方位角边界耦合，这意味着第一和第二投影定向方向550和560在表面被修整时被同时固定，例如，修整指通过在定向聚合材料的刷擦方向或定向材料的倾斜方向真空沉积的方位角方向。然而，本发明的自补偿原理同样适用于方位角边界耦合不是很强的情况。对于这些情况，投影定向方向550和560被扭曲液晶层本身施加的扭矩、内在扭曲和电场影响。这些作用在确定自补偿单元扭曲角时需要考虑。
液晶材料本身可以具有内在扭曲，其可以通过厚度-间距比率，d/p来特征化，其中“d”是单元间隙而“p”是液晶材料的内在间距。内在间距p是在没有外部边界条件影响下，在垂直于液晶指向矢方向上测量的从指向矢完全360°旋转的开始到结束的距离。通过将少量光活性材料，如手征掺杂剂，融入液晶材料可以使向列液晶材料具有内在扭曲。明显用于这个目的的从Merck可购买的手征掺杂剂包括将右手内在扭曲引入液晶的R-2011和将左手内在扭曲引入液晶的S-2011。间距是与手征掺杂剂的浓度成反比的，从而可以被简单修正。
下文的液晶器件的优选实施例的示例说明了使用商业LCD建模软件的仿真，所述软件可从日本的信越化学有限公司(Shintech，Ltd.)和德国的Autronic-Melchers股份有限公司购买。该仿真使用材料常数为Merck MLC-7026-100液晶材料，其在表1中给出，并且光是波长是500nm的入射偏振光，其接近人眼最敏感的可视光谱的中心。
Figure G2007800360289D00101
表1
对于下文的仿真，显示器件的光学输出表示为光学效率，对于理想光学元件，其等同于通过透射模式器件的交叉分析器的偏振光的透射或通过反射模式器件的交叉分析器(等同于偏振分光器)的偏振光的反射。理想光学元件意味着在组成显示器件的层和分析器中没有散射、衍射或吸收，其中分析器对一个极化分量是完全透射而对另一个极化分量是完全阻挡。对于带有实际光学元件的显示器件，100％的光学效率意味着显示液晶单元将偏振光的方向旋转90°从而与分析器的通过方向一致，并且0％的光学效率意味着偏振光离开显示液晶单元的方向没有改变并且偏振光随后被分析器阻挡。对于具有小于100％效率的更薄的自补偿单元，到达分析器的光通常不是线性偏振的而是椭圆偏振的，这导致一定量的光被分析器阻挡。
仿真过程被执行以获得最佳自补偿条件并因此100％效率开启指向矢场状态和0％效率关闭指向矢场状态是两步处理。首先，对于给出的单元扭曲角，提供100％光学效率的单元间隙和输入偏光器角的值在开启状态驱动电压下被测定，例如为5伏。然后关闭指向矢场状态在这些条件下被仿真，并且暗状态光学效率被确定。这整个步骤被重复以用于另一个单元扭曲角，直到发现它们中的一个达到接近零的光学效率，即，在期望的亚阈值的驱动电压的自补偿，并因此达到最高对比度。
示例1
这两个步骤的处理在示例1中被更详细的描述，其中示例1是图1A和1C中说明的透射实施例。对于示例1，没有手征掺杂剂出现并且在两个基底表面上的预倾角是相等的。在第一步中，5伏的开启指向矢场状态驱动电压V1被施加到液晶层两端。对于具有在两个基底表面的相等预倾角的透射单元，获得100％光学效率的条件是光的输入偏振方向与第一和第二投影定向方向的平分线成+45°或-45°角。分析器的偏振方向跨越偏光器的偏振方向。在第一步中，单元扭曲角被选择并且单元间隙被修整直到单元的光学效率达到100％，因为分析器与偏光器交叉，所以显示为90°的偏振旋转。这个过程被重复以用于从0°到180°范围的一系列单元扭曲角。结果在图3中给出，其显示了对于考虑的75°、80°和85°的三个不同预倾角在5伏的V1下达到100％光学效率所需要的最小单元间隙d。
在第二步骤中，关闭指向矢场状态亚阈值的偏置电压V0被选择并且偏振光的透射在单元扭曲角的范围内使用从第一步确定的适当的单元间隙而仿真。对比度被限定为100％的开启指向矢场状态光学效率除以关闭指向矢场状态光学效率。对比度达到尖形峰的扭曲角被称为自补偿扭曲角。
在优选实施例中，准垂直液晶器件的预倾角的选择在保持自补偿条件的同时通过像素显示器件中的向错线的抑制而被特征化。如图4A、4B、4C和4D显示，在交替的开启和关闭像素的条件下，二维数字仿真程序被用于仿真液晶指向矢构造和作为显示器上的位置的函数的光输出。示例中的器件包含反射器720、夹在像素上电极601、602和603与底部下电极760之间的液晶材料MLC-7026-100的层750。仿真结果在图4A、4B和4C中给出，其分别在零扭曲角和85°、80°和75°的预倾角的条件下。示例中显示的像素尺寸为10μm，并具有0.25μm的像素间隙和1.3μm的单元间隙。(像素间隙是分隔下一个相邻像素上电极的距离)。在上电极601处的电压保持在3.3V，周边的两个上电极602和603都保持在0V。上电极602和603的下一个上电极又保持在3.3V以形成交替的开启和关闭模式。通常，下电极760被保持在-1.7V。液晶层750的稳定状态指向矢结构由线段阵列显示。这些图示中的每一个的顶部显示了光输出曲线700，其使用550nm的中心波长作为显示器中的位置的函数来计算，所述显示器包括由上电极601、602和603限定的像素。在图4A的示例中的上电极601的两端的光输出曲线700示出了在电极两端的绝大多数位置处的圆形的、小于最佳值50％的输出。曲线700同样显示了向靠近电极602的像素间隙的最小值和之后的窄峰，这说明由于边缘场效应产生的像素间隙附近的向错线。这个圆角变得更小，第二窄输出峰变得更小，并且在图4B和4C中显示了更小的80°和75°预倾角的情况下，输出倾角移动以更接近像素间隙，这导致开启状态像素更明亮并且不存在暗缺陷。然而，如图4B显示，随着预倾角变得更小并且甚至如图4C显示的更小，由电极602和603限定的关闭状态暗像素的光漏变得更明显，并且在图4C显示的75°预倾角的状态下，对比度降低到接近5∶1。
更小预倾角下在关闭状态像素中的光漏的减少可以依照优选实施例通过引入扭曲的指向矢结构液晶层750而实现。在图4D显示的示例中，除了在更低边界760的液晶分子的方位角的角相对于在上边界的方位角的角成145°的角，器件具有与图4C所示的器件相同的结构，即预倾角是75°。在图4D的仿真中，光的波长是395nm并且偏光器被交叉，但输入偏光器透射轴定位于与上边界处的液晶指向矢成15°角。这些条件提供了对关闭状态的自补偿，其中从图4D的曲线700可以看出，由电极602和603限定的暗像素的光输出被减小到接近零，同时由电极601限定的开启像素的光输出接近饱和并且显示为在开启状态像素区域中没有倾斜(dip)和在像素间隙上的很小的次级顶点。
自补偿条件通过对比度与单元扭曲角关系曲线的尖奇点而被特征化，其中对比度可以超过1,000,000。在自补偿单元扭曲角下，液晶材料常数、亚阈值的驱动电压、内在扭曲性质、预倾角和单元间隙全部协作以提供在液晶层内的指向矢分布，其具有接近零的平面内延迟。图5显示了0°扭曲角的情况，相当低的对比度324，56和13分别对应亚阈值的电压0，1.381和1.796伏。然而，通过在相应的0，1.381和1.796伏的亚阈值的电压下选择120°，140°和160°的自补偿单元扭曲角，在每个情况中的对比度可以被增加到超过1,000,000而不牺牲开启指向矢场状态的亮度。
图6显示了在两个基底表面上的80°预倾角情况的自补偿单元扭曲角和亚阈值的驱动电压之间的关系。这个曲线可用于基于驱动电压的可用范围确定适当的自补偿单元扭曲角。例如，如果开启指向矢场状态驱动电压V1是5伏并且显示驱动器的动态范围是4伏，那么在关闭指向矢场状态下，亚阈值的驱动电压将是1伏。图6中显示的曲线说明了在1伏下实现自补偿的单元扭曲角是130°。
图7A和7B显示了在两个表面上的80°预倾角的情况下的光电传递函数，其中扭曲角为140°并且亚阈值的驱动电压是1.381伏。图7A的线性标度说明了这个构造提供灰阶的能力，并且在1.381伏和5伏处的垂直线表明了施加电压分别与关闭和开启指向矢场状态相关。图7B的对数标度上看出的反向尖端的较大倾斜说明该配置在1.381伏的亚阈值的驱动电压下是自补偿的。
图7A和7B中给出的情况的开启和关闭指向矢场状态在图8A和8B中显示为倾角廓形(图8A)和扭曲角廓形(图8B)的形式，其描述了在第一定向层表面120和第二定向层表面130之间的全部位置处的液晶指向矢的定位。图8A表明，在关闭指向矢场状态中，不接触位于第一和第二修整定向层之间的中间的指向矢580的表面的倾角590是83°，其大于80°的表面预倾角520和540。
图9中，对比度被仿真为单元扭曲角的函数。三个曲线对应于两个基底表面上的相等预倾角是75°、80°和85°的情况并且亚阈值的电压V0是零。每个曲线展现特征尖奇点，该尖奇点表示在120°单元扭曲角附近的自补偿。图10显示了对于自补偿单元扭曲角是120°时这三个情况下的倾角廓形。对于75°、80°和85°三个不同的预倾角，在层中间的液晶指向矢的倾角分别为82.2°、84.9°和87.5°，即在层中间的液晶指向矢的倾角近似于表面预倾角和90°的平均值。
示例2
下文的示例2涉及优选实施例，其中液晶材料具有内在扭曲。如前文示例1，确定自补偿扭曲角是两个步骤的处理。下述仿真使用80°的预倾角。第一步的仿真结构在图11中给出，其显示在5伏下对于100％光学效率的单元间隙d与单元扭曲角的一族关系曲线，其具有不同量的内在扭曲，包括零。指定d/p＝0的曲线出于比较目的而被包括，其表示没有内在扭曲的情况并且与图3所示的80°预倾角情况的曲线相同。指定d/p＝+Φ(phi)/360的曲线表示了通常用于现有手征性垂直显示单元的内在扭曲的量。例如，对于90°的单元扭曲角，d/p＝1/4；而对于120°的单元扭曲角，d/p＝1/3。在d/p＝Φ/360时不存在方位角边界力的情况下，当电压被施加以充分地倾斜贯穿液晶层的液晶指向矢时，单元将具有期望的扭曲角。内在扭曲的正号表明内在扭曲具有与单元扭曲相同的旋转指向。图11中的d/p＝+Φ/360曲线显示了达到100％的光学效率所需要的单元间隙明显大于不具有内在间距的单元所需要的单元间隙，而这会显著增加单元的转换时间。对于指定d/p＝+0.5Φ/360的曲线，需要的单元间隙相对较小，但该单元间隙仍然大于没有内在扭曲的情况下的单元间隙。指明d/p＝-0.5Φ/360的曲线对应于内在扭曲具有与单元扭曲的旋转指向相比相反的旋转指向的情况。在这个情况下，达到100％光学效率所需要的单元间隙可以显著地小于在没有内在扭曲的情况下所需要的单元间隙。
对于亚阈值的电压是零的情况，示例2的第二步的仿真结果在图12中给出。同样，出于比较目的，指定d/p＝0的曲线与V0＝0时图5中所示的曲线相同。图12表示了在d/p＝+Φ/360情况下没有自补偿，且实际上对于增加的单元扭曲角，对比度变得更差。对于这个情况，无论单元扭曲角的情况，在层中间的倾角总是小于预倾角。但是对于更少量的内在扭曲，例如±0.5Φ/360，发生自补偿，其通过图12的对比度曲线中的尖端证明，其中对于d/p＝+0.5Φ/360，扭曲角为149°，而当内在扭曲与单元扭曲的旋转指向反向时，即d/p＝-0.5Φ/360，扭曲角为104°。对于这两种情况，在液晶层中部的指向矢倾角大于80°的预倾角，对于d/p＝-0.5Φ/360，在104°的自补偿单元扭曲角处的指向矢倾角为86.3°，而对于d/p＝+0.5Φ/360，在149°的自补偿单元扭曲角处的指向矢倾角为82.7°。
图13显示了对于具有内在扭曲和非零亚阈值的电压的仿真的作为单元扭曲角函数的对比度。在d/p＝+0.5Φ/360和V0＝0.750伏的条件下的一个仿真具有发生在160°单元扭曲角的对比度曲线中的尖端，其表明在这个角度发生自补偿。对于在d/p＝-0.5Φ/360和V0＝1.590伏条件下的其他仿真，对比度曲线具有两个尖端，其中表明在120°和161°的单元扭曲角处发生自补偿。
示例3
下文的示例3涉及图1B和图1D中说明的反射实施例。在这些实施例中，通常使用偏振分光器作为交叉的偏光器/分析器组合，但其它偏光器配置也可以被使用，如单个偏光器或偏光器和分析器的离轴组合。这个示例显示的仿真使用在液晶器件的输入端的偏振分光器。该仿真延续与上文描述的示例1和2中的透射器件类似的方式，除了达到100％的光学效率的入射光的输入偏振方向不再与第一和第二投影定向方向的平分线成+45°或-45°角，而成为随单元间隙修整以达到100％光学效率的自由参数。图14将使用在两个基底上有80°预倾角且没有内在扭曲的Merck MLC-7026-100液晶材料在5伏下获得100％光学效率所需的偏光器定位角与在相同条件下的透射情况相比较。偏光器角度之间发生显著的背离，特别是在更高的扭曲角时。
图15显示了单元间隙d，其与图14中所示的偏光器角度一起引起5伏下的100％的光学效率。与80°预倾角的图3中的透射情况的比较显示了单元间隙接近更小扭曲角的透射情况的单元间隙的一半，但对于更大的扭曲角其变得更大。
图16显示了当亚阈值的电压是0V和1.381V时，这种反射情况的对比度与单元扭曲角的一族关系曲线。这两条曲线的形态与图5的它们的透射对应形态非常相似，其中对于0V和1.381V的亚阈值的电压，自补偿同样发生在120°和140°的单元扭曲角处。
实际投影仪用宽角度照射操作并使用聚光光学器件以达到可接受的光输出。因为自补偿特征，带有成像器的基于液晶的投影仪采用本文描述的实施例不需要昂贵的外部补偿层来达到期望的对比度和光输出。
对于使用高校准光的投影系统，如从激光源传播出的光，聚光光学器件通常约为f/4.5或更小孔径。在这种系统中，采用本文描述的实施例的液晶显示器面板不需要外部的补偿层。图17的等对比度图说明了这种情况。在图17中，对比度由十的幂：106，105，104，103和102的形式的恒定对比度的等值线表示。在这类图中，极视入射角由距图示的中心的径向距离表示，并且其中心表示为直射视角而外围表示为20°的入射角。方位角观察方向由图表圆周周围的位置表示。从图17可以确定在任何具体观察方向上的对比度。
然而，投影系统收集来自许多不同方向传递的光强度。图20显示了可以在投影系统中获得的作为通常由f数字或f/#特征化的光照和聚光光学元件的函数的对比度。如图20中曲线830所示，不具有外部补偿的自补偿器件结构在f/4.5时提供超过15,000∶1的对比度，其远大于满足最严格要求的合适的对比度。与自补偿结构相关的缺陷的抑制提供给系统更高的光输出。
更典型的投影系统采用UHP金属卤化物弧光灯作为光源，其聚光光学元件为f/2.4或更大孔径。在这个情况下，采用本文描述的实施例的液晶成像器仅需要负C延迟板来补偿离轴双反射，其是垂直排列的液晶器件的正光学各向异性的固有因素。说明性的示例以215nm的负C板补偿80°的预倾角、121°的扭曲反射结构。图18中说明了这种情况的等对比度图。图20中的曲线820显示了对于这种情况，在f/2.4处的对比度超过8000∶1，远超过这类投影仪一般所需的2000∶1的对比度。
更高的对比度可以通过同时使用正A板和负C板延迟器来补偿而实现。说明性的示例是通过137.5nm的单轴正A板补偿80°预倾角和121°扭曲反射结构，所述正A板定向为其小孔径轴正交于线栅型偏振分光器的输入偏振方向，该正A板后是170nm的负C板。这个仿真结果在图19的等对比度图中显示。图19显示了对比度超过106的中心区域、对比度超过105的更大区域和对比度超过104的外部区域。图20中的曲线810显示了对于f/2.4的投影光学器件的超过480,000的对比度。
本领域技术人员显然能够看出，可以对上述实施例细节进行许多修改而不背离本发明权利要求的原理。因此，本发明的范围应仅由所付权利要求确定。

Claims (23)

1.一种准垂直液晶器件，其包括向列液晶材料层，所述液晶器件可被操作以响应驱动信号，从而在开启液晶指向矢场状态和关闭液晶指向矢场状态之间转换液晶的指向矢场状态，进而建立从所述向列液晶材料层传播的线性偏振光的偏振方向并被配置以自补偿在关闭指向矢场状态中的平面内光学延迟，所述准垂直液晶器件包括：
第一电极结构，在其上放置有第一定向层，所述第一定向层具有被修整以在其上限定第一投影定向方向的表面，以及第二电极结构，在该第二电极结构上放置有第二定向层，所述第二定向层具有被修整以在其上限定第二投影定向方向的表面，所述第一定向层表面和所述第二定向层表面通过单元间隙彼此分开并被布置以形成液晶单元，所述液晶单元具有被设定为相对于彼此成偏置角度的所述第一投影定向方向和所述第二投影定向方向，并且所述液晶单元被操作为通过与开启指向矢场状态和关闭指向矢场状态相关的光电传递函数而被特征化，所述光电传递函数具有亚阈值的偏压区域；
向列液晶材料层，其被夹在被间隔开的所述第一修整定向层表面和所述第二修整定向层表面之间，所述向列液晶材料具有接触指向矢的定向层表面和不接触指向矢的定向层表面并被负介电各向异性和内在扭曲性质部分地特征化；
接触指向矢的所述定向表面以相对于所述第一修整定向层表面和第二修整定向层表面的表面预倾角锚定，并且不接触指向矢的所述定向表面建立由所述偏置角和所述液晶材料的所述内在扭曲性质确定的单元扭曲角；以及
所述单元间隙、所述内在扭曲性质、所述表面预倾角和所述单元扭曲角被设定的值的结合有助于响应所述驱动信号而为从向列液晶材料层传播的线性偏振光建立分别在所述开启和关闭指向矢场状态内接近90度和接近0度之间的偏振方向旋转，所述关闭指向矢状态与亚阈值的偏压区域水平对应，这为所述液晶器件提供了平面内光学延迟的自补偿。
2.根据权利要求1所述的液晶器件，其中一个或多于一个所述指向矢场状态是在所述开启指向矢场状态和所述关闭指向矢场状态之间的中间指向矢场状态。
3.根据权利要求1所述的液晶器件，其中在所述关闭指向矢场状态中，位于所述修整的第一定向层表面和所述修整的第二定向层表面之间的大致平坦表面中间的不接触指向矢的所述定向表面以大于或等于所述表面预倾角的平均值的中段平面的指向矢倾角放置。
4.根据权利要求1所述的液晶器件，其中所述向列液晶材料层是基本不受内在扭曲影响的，其中位于所述修整的第一定向层表面和所述修整的第二定向层表面之间基本平坦的表面中的不接触指向矢的所述定向表面以中段平面的指向矢倾角放置，并且其中，在所述驱动信号缺失时，所述中段平面的指向矢倾角大约是所述表面预倾角和90度的平均值。
5.根据权利要求4所述的液晶器件，其中所述单元扭曲角大约是120度。
6.根据权利要求1所述的液晶器件，其中为了提供自补偿，所述单元扭曲角被增加以响应亚阈值的偏压区域水平的增大。
7.一种准垂直液晶器件，其包括向列液晶材料层，所述液晶器件可被操作以响应驱动信号，从而在开启液晶指向矢场状态和关闭液晶指向矢场状态之间转换液晶的指向矢场状态，并被配置以自补偿在关闭指向矢场状态中的平面内光学延迟，所述准垂直液晶器件包括：
第一电极结构，在其上放置有第一定向层，所述第一定向层具有被修整以在其上限定第一投影定向方向的表面，以及第二电极结构，在该第二电极结构上放置有第二定向层，所述第二定向层具有被修整以在其上限定第二投影定向方向的表面，所述第一定向层表面和所述第二定向层表面彼此分开并被布置以形成液晶单元，所述液晶单元具有被设定为相对于彼此成偏置角度的所述第一投影定向方向和所述第二投影方向，并且所述液晶单元被操作为通过与所述开启指向矢场状态和所述关闭指向矢场状态相关的对比度而被特征化；
向列液晶材料层，其被夹在被间隔的所述第一修整定向层表面和所述第二修整定向层表面之间，所述向列液晶材料具有接触指向矢的定向层表面和不接触指向矢的定向层表面并被负介电各向异性和内在扭曲性质部分地特征化；
接触指向矢的所述定向表面以相对于所述第一修整定向层表面和所述第二修整定向层表面的表面预倾角锚定，并且不接触指向矢的所述定向表面建立由所述偏置角和所述向列液晶材料的所述内在扭曲性质确定的单元扭曲角；以及
所述表面预倾角和所述单元扭曲角被设定的值的结合有助于建立所述对比度中的尖奇点以响应将所述液晶器件转换到所述关闭指向矢场状态的驱动信号的值，以提供平面内光学延迟的自补偿。
8.根据权利要求7所述的液晶器件，其中一个或多于一个所述指向矢场状态是在所述开启指向矢场状态和所述关闭指向矢场状态之间的中间指向矢场状态。
9.根据权利要求7所述的液晶器件，其中所述第一定向层表面和所述第二定向层表面被单元间隙分隔，并且其中所述单元间隙被设置以提供基本100％的光学效率以响应将所述液晶器件转换到所述开启指向矢场状态的所述驱动信号的值。
10.根据权利要求7所述的液晶器件，其中所述第一定向层表面和所述第二定向层表面被单元间隙分隔，并且其中所述单元间隙被设置以提供小于100％的光学效率以响应将所述液晶器件转换到所述开启指向矢场状态的所述驱动信号值并由此提供在所述开启指向矢场状态和所述关闭指向矢场状态之间的转换时间，所述转换时间短于所述单元间隙被设置以提供基本100％的光学效率的所述开启指向矢场状态和所述关闭指向矢场状态之间可得到的转换时间。
11.根据权利要求7所述的液晶器件，其中，在所述关闭指向矢场状态中，位于所述修整的第一定向层表面和所述修整的第二定向层表面之间的大致平坦的表面中间的不接触指向矢的所述定向表面以大于或等于所述表面预倾角平均值的中段平面的指向矢倾角放置。
12.根据权利要求7所述的液晶器件，其中所述向列液晶材料的所述内在扭曲性质本质上不具有内在扭曲，其中位于所述修整的第一定向层表面和所述修整的第二定向层表面之间的大致平坦的表面中间的不接触指向矢的所述定向表面以中段平面指向矢倾角放置，并且其中，在所述驱动信号缺失时，所述中段平面的指向矢倾角大约是所述表面预倾角和90度的平均值。
13.根据权利要求12所述的液晶器件，其中所述单元扭曲角大约是120度。
14.根据权利要求7所述的液晶器件，其中所述单元扭曲角在100度和165度之间。
15.根据权利要求7所述的液晶器件，其中每个所述表面预倾角在75度和85度之间。
16.根据权利要求7所述的液晶器件，其中所述表面预倾角是等值的。
17.根据权利要求7所述的液晶器件，其中所述液晶单元被操作为通过与所述开启指向矢场状态和所述关闭指向矢场状态相关的光电传递函数而被特征化，所述光电传递函数具有亚阈值的偏压区域，并且其中所述单元扭曲角和亚阈值的偏压区域水平被关联，从而使所述亚阈值的偏压区域的增大引起所述单元扭曲角的相应增大以提供自补偿。
18.根据权利要求7所述的液晶器件，其中所述向列液晶材料的所述内在扭曲性质具有非零内在扭曲，其中位于所述修整的第一定向层表面和所述修整的第二定向层表面之间的大致平坦的表面中间的不接触指向矢的所述定向表面以中段平面的指向矢倾角放置，并且其中，在所述驱动信号缺失时，所述中段平面的指向矢倾角大于所述平面预倾角。
19.根据权利要求7所述的液晶器件，其中所述第一电极结构和所述第二电极结构之一包括光反射材料。
20.根据权利要求19所述的液晶器件，其中所述第一电极结构和所述第二电极结构之一具有单独反射金属像素电极的形式。
21.根据权利要求7所述的液晶器件，其中所述第一电极结构和所述第二电极结构是透光的。
22.根据权利要求7所述的液晶器件，进一步包含光收集的光学元件和具有延迟值的光延迟器，所述光延迟器补偿至少部分地由所述正光学各向异性特征化所述液晶材料层引起的离轴双折射。
23.根据权利要求22所述的液晶器件，其中所述光延迟器由负C型第一光延迟器构成，并且所述光延迟器进一步包含与所述第一光延迟器协作的正A型第二光延迟器，从而提供一定值的对比度，所述对比度的一定值大于在不具备所述第二光延迟器时由所述第一光延迟器获得的对比度的值。
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