相位差補償器、光調制系統、液晶顯示器和液晶投影儀的制作方法

專利名稱：相位差補償器、光調制系統、液晶顯示器和液晶投影儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及在一對偏振元件之間使用的相位差補償器，具體地，涉及改善其視角依賴性的相位差補償器，和光調制系統、液晶顯示器，以及利用相位差補償器的液晶投影儀。
背景技術：
對于利用光學旋轉和在液晶分子中的雙折射來完成光調制的液晶單元來說，偏振片作為一種偏振器件被應用。在透射式液晶單元中，偏振片布置在液晶單元的光入射表面和光出射表面。偏振片在沿垂直于液晶單元的光軸方向導向。在光入射表面的偏振片用作將非偏振光轉換成進入液晶單元的線性偏振光的起偏器。在光出射表面的偏振片用作根據調制光的偏振方向阻擋或透射來自液晶單元的偏振光的檢偏器。作為偏振器件，線柵起偏器公知和偏振片相同。但是，一般使用偏振片。一般而言，偏振片具有一種結構，在這種結構中，帶有吸收的碘和染色的PVA(聚乙烯醇)膜單軸取向，并且夾在保護層之間，同時具有透射軸和吸收軸，該透射軸和吸收軸在垂直于光軸方向的平面內彼此成直角。當非偏振光進入偏振片時，它被分束成兩束彼此之間成直角的偏振光分量。平行于吸收軸的偏振光分量被阻擋，而平行與透射軸的偏振光分量透射通過。
偏振片可應用于，例如，TN(扭曲向列)液晶顯示元件。TN液晶顯示元件在不同的液晶元件的操作模式中具有超大規模的生產率，并且作為直視類型平板顯示器和液晶投影儀的圖像顯示器件而廣泛地使用。TN液晶顯示元件具有填充在一對襯底之間的棒狀液晶分子，而在這對襯底上形成透明的電極和取向膜。液晶分子組成了液晶層。液晶分子的長軸的取向保持與襯底大致平行，并且逐漸地圍繞液晶層的厚度方向旋轉，以便于液晶分子的長軸沿著自一個襯底到另一襯底的路徑平滑地扭曲90度。當沒有電壓施加到液晶層時，線性偏振光的偏振方向被旋轉了90度，同時沿著液晶分子的方向從一個襯底行進到另一個襯底。當將一定的電壓施加到液晶層時，液晶分子的扭曲消失了，并且在厚度方向的中心附近的液晶分子處于其長軸垂直于襯底地向上的狀態。相應地，線性偏振光的偏振方向在從一個襯底行進到另一個襯底時沒有發生改變。
當這對偏振片被布置在上面描述的TN液晶元件的光入射側和光出射側，且使得該偏振片的偏振方向相互成直角(正交尼科耳配置)，入射光被第一偏振片線性起偏。當沒有電壓施加到液晶層時，在液晶層中的液晶分子發生扭曲，從而以90度旋轉線性偏振光的偏振方向。穿過液晶層的線性偏振光能夠通過第二偏振片，作為亮狀態(通常是白色的)。但將一定電平的電壓施加到液晶層上時，線性偏振光的偏振方向在液晶層中不會發生旋轉，因此線性偏振光被第二偏振片阻斷，作為暗狀態。應該注意的是，在這對偏振片被布置成其偏振方向相互平行(平行尼科耳配置)的情況下，當沒有電壓施加到液晶層上時形成暗狀態(通常是黑的)，并且當將一定電壓施加到液晶層上時形成亮狀態。考慮到對比度性能，雖然TN液晶元件能夠用在一般的黑系統中，但是實際上TN液晶元件通常用在白色系統中。
另外，在正交尼科耳配置中的這對偏振片能夠被應用在偏振顯微鏡等中。當例如礦石這樣的樣品被放置在偏振片之間，并且該樣品通過起偏器被照亮時，如果整個樣品具有光學各向同性性質，則穿過該起偏器的線性偏振光可在不改變其偏振方向的前提下向行進至檢偏器，而且被檢偏器阻斷。因此，顯微鏡的觀察區域是暗的。然而，如果在樣品內存在光學各向異性的晶體結構，那么入射的線性偏振光由樣品的雙折射效應進行調制，并且調制后的光可穿過該檢偏器。因此，光通過顯微鏡的觀察區域可觀察到調制后的光。
TN液晶元件由于液晶分子的雙折射而具有窄視角的缺點。在通常白色的TN液晶元件中，當施加到液晶層的電壓增加時，雙折射占主導地位。雖然垂直于液晶元件的入射光在暗狀態下被完全阻斷，但是液晶層對斜入射的光表現出雙折射，從而將線性偏振光轉換成橢圓偏振光。因為橢圓偏振光能穿過第二偏振片，所以入射光的泄漏使得了所選擇的像素的黑色不透光度(black density)下降。液晶分子的這種雙折射也逐漸地出現在從白色狀態向黑色狀態轉變的過程中，因此在分級顯示中，斜入射光也部分泄漏。因此，如果斜視的話，在液晶元件上的圖像的對比度就會減小。
由于TN液晶元件的這種視角屬性，顏色和黑色不透光度將根據直視型平板顯示器中的觀察方向而發生變化，并且在液晶投影儀中屏幕上被投影的圖像的對比度將減小。從公開號為2004-102200的日本專利可知，這種缺陷能通過使用相位差補償器來加以改善，而這種相位差補償器由兩種帶有不同的折射率的交替層疊的薄膜層組成，并且每個薄層的光學厚度為光的參考波長的1/100到1/5。相位差補償器是負C板。當線性偏振光傾斜入射到垂直取向以便進行暗狀態顯示的液晶分子時，由于雙折射而變成了尋常光和異常光。負C板用作帶有負的雙折射值的單軸雙折射板，用于根據入射角補償在尋常光和異常光之間的相位差。因此，橢圓偏振光被重新改造為線性偏振光，并且防止了從檢偏器的光泄漏。另外，相位差補償器能夠由無機材料形成，這些無機材料具有優良的熱電阻，光電阻和在物理、化學上的穩定性。因此，這種類型的相位差補償器能夠以與直視型平板顯示器相同的方式有效地用于液晶投影儀。
美國專利號5,638,197描述了O-板對改善TN液晶元件的視角屬性是有效的。O-板是其中主光軸傾斜于參考平面(例如液晶的襯底)的雙折射體。在主光軸的方向上，沒有引入雙折射。通過從傾斜的方向將無機材料沉積到襯底上(斜沉積)可容易地形成O板。另外，O-板能夠和C-板以及A-板結合起來使用。
Hiroyuki MORI等人在FUJIFILM RESEARCH &DEVELOPMENT No.46-2001第51-55頁上發表的“Development ofWideView SA，a Film Product Widening the Viewing Angle of LCDs”公開了在作為基礎的TAC膜上形成WV膜使得盤狀混合物以混合取向固定。這種WV膜已經被投入到實際應用中。當在暗狀態顯示中，雖然在液晶層的厚度方向上分布的大部分液晶分子變成垂直取向，但是在襯底附近的液晶分子變成混合取向。也就是，根據距襯底的距離，液晶分子的長軸被逐漸地從平行于襯底的取向升高到垂直取向。日本專利公開2004-102200的雙折射體不能通過在混合取向的液晶分子來補償相位差。但是，MV膜能夠通過混合取向的液晶分子來補償相位差，這是因為盤狀混合物如上面所述是混合取向的。
當在正交尼科耳配置下的這對偏振片(起偏器和檢偏器)被用在偏振顯微鏡等中時，在透過檢偏器觀察樣品的特定視角下無法獲得充分的光遮蔽屬性。如果來自起偏器的入射光的所有光通量都平行于光軸，那么就沒有光線從檢偏器射出。然而，在現實中，來自一般光源的光通量包括由于光的發散而自光軸傾斜的光線。例如，金屬鹵化物燈，超高壓水銀燈等帶有反射鏡的燈可應用在液晶投影儀等。來自這些光源的光包括許多從光軸傾斜入射的大量光通量。這種類型的入射光不能只通過利用正交尼科耳配置下的那對偏振片來充分地進行遮蔽。
在圖33中，將自檢偏器射出的光的等相對亮度值的點連接在一起。曲線的中心對應于0°視角，同心圓周示出各個視角，并且每個沿著曲線的外圍描述的角表示觀察方向的每個方位角。這個曲線說明相對亮度值相應于視角變大而變高。當視角大于60°時，將觀察到10％或更多的入射光。所觀察到的光是泄漏的光。另外，由于具有0°和90°方位角這對偏振片的吸收軸是相互垂直的，因而光線的泄漏在距吸收軸45°的位置達到最大，并且光遮蔽屬性根據該方位角具有穿過90°的旋轉對稱性。
已知的是，許多種相位差補償器能夠被設置在正交尼科耳配置中的這對偏振片之間的光學路徑上，從而改善光遮蔽屬性，特別是改善偏振片的視角屬性。Claire Gu & Pochi Yeh在Journal of OpticalSociety of America A/Vol.10 No.5/May 1993 p966-973上發表的“Extended Jones matrix method.II”公開了由C-板和A-板的組合形成相位差補償器，特別是正C-板和1/4波片的組合以及負C-板和3/4波片的組合形成的相位差補償器對于改善這對在正交尼科耳配置下的偏振片的視角屬性很有效。
關于日本專利公開2004-102200中的相位差補償器，當TN液晶元件被用于在常規白色模式下的暗狀態顯示器時，該補償器能夠有效地補償由于傾斜入射到垂直取向的液晶分子的入射光引起的相位差。但是，如上所述，這不能對混合取向的液晶分子執行有效的相位差補償。關于美國專利5,638,197中由單層斜沉積膜形成的O-板，由于不了解用于優化該板獨自使用的結構或用于將該板與C-板等結合從而獲得期望的視角屬性的知識，所以沒有進入實用階段。關于“Development of WideView SA”中的WV膜，該WV膜能為直視型液晶顯示等進行有效的相位差補償。但是，當該WV膜被應用于液晶投影儀等的時候，其中的該膜被長時間暴露在包括短波長光在內的高強度光下，由此對于賦予WV膜10,000小時或更多的持續時間還有很多問題。
為了解決這些問題，理想的是賦予日本專利公開2004-102200中的相位差補償器以混合取向。但是，生產和利用這種由具有混合取向的無機材料形成的相位差補償器是很困難的。同樣也是理想的是，將日本專利公開2004-102200中的負C-板和美國專利5,638,197中的O-板結合起來。但是，由于缺乏關于它的具體配置和實際效果的知識，這個概念沒有商品化。
為了改善這對在正交尼科耳配置下的偏振片的視角屬性，由C-板和A-板的組合形成的相位差補償器，如“Extended Jones matrixmethod.II”中所述，是有效的。然而，在過去，只有當利用單軸拉伸的聚合體膜時，這種類型的相位差補償器才能夠形成。這種有機材料具有溫度依賴性和吸濕的特性，而且它的光學屬性容易隨著長時間的使用或使用環境而改變。另外，在現實中，如果視角是60°或更大，那么接近10％的入射光會被泄漏掉。注意，在原理上，由兩個光學雙軸相差板的組合形成的相位差補償器是已知的。盡管如此，只有當利用聚合體膜時，這種光學雙軸相位差板才能夠形成，并且形成過程非常困難。
本發明的目的在于提供一種相位差補償器，它能有效地補償由雜亂取向的液晶分子引起的相位差，而且能夠以降低的成本高效地進行生產，還在于提供能有效地利用這種相位差補償器的液晶投影儀。
本發明的另外一個目的在于提供一種相位差補償器，對于在正交尼科耳配置下的一對偏振片而言，它具有改善的光遮蔽屬性和改善的的視角相關性，并且還在于提供有效地使用相位差補償器的光調制系統和液晶投影儀。

發明內容
為了達到上述的目的和其它目的，本發明的第一實施例的相位差補償器包括包括每層都是由無機材料形成的形式雙折射體的多層膜的第一相位差補償層，用于補償由在液晶層中垂直取向液晶分子引起的相位差；以及包括每層都是由無機材料形成的形式雙折射體的多層膜的第二相位差補償層，用于補償由液晶層中混合取向液晶分子引起的相位差。優選的是，第一和第二相位差補償層中至少一個包括每一層都是由真空沉積方法形成的多層膜。優選的是，第二相位差補償層包括多種堆疊的斜沉積膜，這些斜沉積膜朝向沉積表面的沉積方向的方位角和極角中至少之一是不同的。優選的是，第二相位差補償層包括三層或更多層堆疊的斜沉積膜。不要求的是，一個斜沉積膜沉積方向的方位角和極角都與其它斜沉積膜的方位角和極角不同。但是，要求一個斜沉積膜的沉積方向的方位角和極角的組合與其它斜沉積膜的不同。注意，優選的是，考慮到第二相位差補償層的總的厚度和生產率，斜沉積膜的疊層數目是10或更少。
每個斜沉積膜的沉積方向的方位角被確定為與由TN液晶單元的取向膜給定的液晶分子的方位角不同。當根據每個斜沉積膜的方位角、極角和延遲確定每個光軸矢量的時候，光軸矢量的合成矢量A被正交地投影到平行于例如透明襯底或TN液晶單元的襯底這樣的支撐體的沉積表面上，X和Y坐標值(Ax，Ay)滿足下列公式-200nm≤Ax≤200nm以及-500nm≤Ay≤0nm。
優選的是，在第一相位差補償層的延遲dΔn和TN液晶單元的液晶層的雙折射與該液晶層的厚度d的乘積(dΔn)LC之間的關系如下-2×(dΔn)LC≤(dΔn)≤-0.5×(dΔn)LC。
第一相位差補償層由交替層疊的兩種具有不同折射率的多個沉積膜組成，并且每個沉積膜的光學厚度為參考波長的1/100到1/5，該厚度比利用光的干涉效應的一般光學薄膜的厚度薄很多。優選的是，在相位差補償器的光入射表面側和/或光出射表面側設置抗反射層，從而避免相位差補償器的界面反射。
第一個實施例的相位差補償器能被應用到液晶顯示器件中，例如帶有TN液晶單元的直視型液晶投影儀，優選是液晶投影儀。當相位差補償器被應用到包括與三個彩色光分量中每一個相對應的三個TN液晶單元的三片式彩色液晶投影儀時，這三個相位差補償器，其中每個對應于一個TN液晶單元，包括至少兩種相位差補償器，而且每種相位差補償器根據每個彩色光分量的參考波長具有彼此不同的延遲。注意，作為包括相位差補償器的液晶投影儀，既有前向投影儀，也有背向投影儀，在前向投影儀中，圖像從屏幕的前側投射過來，在背向投影儀中，圖像從屏幕的背后投射過來。
為了達到上面的目的和其它目的，用在一對處于正交尼科耳配置下的偏振元件之間的本發明的第二個實施例的相位差補償器，包括垂直于與一對偏振元件垂直的光軸的透明襯底，由該透明襯底支撐的第一相位差補償層，該第一相位差補償層的光軸與透明襯底是相互垂直的，以及包括三層或更多層堆疊膜的第二相位差補償層，其中每層堆疊膜都具有傾斜于透明襯底法線的光軸，所述堆疊膜中兩個膜的光軸正交投射到所述透明襯底上的方向相互之間隔開大約180度。注意，每個光軸都有光學各向同性，并且對應于入射光的方向，其中在該方向尋常光束和異常光束的折射率變得相等。另外，第一和第二相位差補償層能夠以無機材料形成。
由通過沉積或濺射形成的沉積膜可有效地生產第一和第二相位差補償層。第一相位差補償層由交替層疊的兩種具有不同折射率的多個沉積薄膜組成，并且每個薄層的光學厚度為參考波長的1/100到1/5，該厚度比利用光的干涉效應的一般光學薄膜的厚度薄很多。
有效的是，在第二相位差補償層中的一個層疊膜的光軸方向與相位差補償器的光入射側的偏振元件的透射軸的方向相同。另外，抗反射層設置在相位差補償器的光入射表面側和/或光出射表面側。當相位差補償器被應用到包括液晶單元的光調制系統時，優選的是，相位差補償器被布置在液晶單元的光入射表面側。至于液晶單元，透射型和反射型都可使用。當反射型液晶單元被使用時，來自液晶單元的調制光以離軸方式進入投影透鏡，并且被投射到屏幕上。
根據本發明的第一個實施例的相位差補償器，因為用于補償由混合取向液晶分子引起的相位差的第二相位差補償層是由每層都是形式雙折射體的多層膜形成的，所以能夠進行有效的相位差補償。第一和第二相位差補償層中的至少一個能通過包括每層都是用真空沉積的方法形成的多層膜的手段來有效地產生。因為第二相位差補償層包括多種堆疊的斜沉積膜，這些斜沉積膜在朝向沉積表面的沉積方向上的方位角和極角中至少之一是不同的，所以能夠進行有效的相位差補償。并且當相位差補償器被應用到處于常規白色模式中的TN液晶元件時，因為有效地減少了由斜入射光引起的在暗狀態下的泄漏光，所以被顯示圖像的對比度得到了改善。因為第一和第二相位差補償層由具有很好的熱電阻、光電阻以及在物理、化學上的很好的穩定性的無機材料形成，所以相位差補償器能夠按照與例如直視型液晶監視器等液晶顯示器相同的方式，被應用到包括高強度光源的液晶投影儀中。因為第一相位差補償層和第二相位差補償層一樣都是由無機材料的沉積膜形成的，因此能夠在相同的過程中有效地生產該第一和第二相位差補償層。
根據本發明的第一個實施例的相位差補償器，其光軸與透明襯底垂直的第一相位差補償層可被認為是用作C-板，用于根據斜入射光的入射角補償相位差。另外，包括具有指向不同方向的相應光軸的多層膜的第二相位差補償層被認為是用作復O-板，用于根據入射光的入射角度旋轉線性偏振光的偏振方向。通過第一和第二相位差補償層的這些效應的協作，可改善包括正交尼科耳配置下的偏振元件的光調制系統的視角屬性。另外，在實驗中發現，當堆疊膜中的兩個膜的光軸的方向相互之間隔開180度時，視角屬性被進一步地改善了。優選地，兩個光軸相互隔開180±5度，特別地相互之間隔開180±2度，并且特殊地相互之間隔開180度。
當在第二相位差補償層中的層疊膜中的一層的光軸的方向與偏振元件的透射軸的方向相同時，可進行有效的光遮蔽。當第一和第二相位差補償層都是由無機材料形成時，特別是由沉積膜形成時，相位差補償器具有良好的熱電阻，光電阻并可大規模地生產。
第二個實施例中的相位差補償器能夠被應用到包括正交尼科耳配置下的偏振元件對的各種光調制系統中，優選的是例如直視型液晶監視器和液晶投影儀這樣的液晶顯示器，在液晶投影儀中，圖像在被液晶單元調制后被投射到屏幕上。至于液晶單元，離軸的反射型能夠像傳輸類型一樣地被使用。另外，至于投影儀，前向投影儀和背向投影儀都能被使用。


圖1是利用本發明的第一個實施例的相位差補償器的液晶顯示器的示意性視圖；圖2是第一個實施例的相位差補償器的橫截面視圖；圖3是第一相位差補償層的配置的示意性視圖；圖4是第二相位差補償層的配置的示意性視圖；圖5是用于形成斜沉積膜的沉積器件的示意性視圖；圖6是說明斜沉積膜的方位角和極角(polar angle)的解釋性視圖；圖7是說明斜沉積膜的光軸矢量的解釋性視圖；圖8是說明TN液晶元件的配置的解釋性視圖；圖9是說明合成矢量的解釋性視圖；圖10是TN液晶元件的對比度曲線圖；圖11是帶有實驗1中的相位差補償器的TN液晶元件的對比度曲線圖；圖12是帶有實驗2中的相位差補償器的TN液晶元件的對比度曲線圖；圖13是帶有實驗3中的相位差補償器的TN液晶元件的對比度曲線圖；圖14是帶有實驗4中的相位差補償器的TN液晶元件的對比度曲線圖；圖15是帶有實驗5中的相位差補償器的TN液晶元件的對比度曲線圖；圖16是帶有實驗6中的相位差補償器的TN液晶元件的對比度曲線圖；圖17是應用第一個實施例的相位差補償器的三片式彩色液晶投影儀的示意性視圖；圖18是說明TN液晶元件的延遲的波長相關性的圖表；圖19是第一相位差補償層的延遲的波長相關性的圖表；圖20是說明TN液晶元件和第一相位差補償層的延遲屬性的曲線圖；圖21是說明改善的第一相位差補償層的延遲的波長相關性的圖表；圖22是說明改善的第一相位差補償層的延遲屬性的曲線圖；圖23是用于檢查本發明的第二實施例的相位差補償器的功能的光學系統的示意性視圖；圖24是第二個實施例的相位差補償器的橫截面視圖；圖25是第二相位差補償層的配置的示意性視圖；圖26是說明斜沉積膜的方位角和極角的解釋性視圖；圖27是說明正交投影到x-y平面的光軸坐標矢量的解釋性視圖；圖28是說明實驗7中相位差補償器的光遮蔽屬性的亮度曲線圖表；圖29是說明相位差補償器的可比較的樣品的光遮蔽屬性的亮度曲線圖表；圖30是應用了透射型TN液晶元件的液晶顯示器的示意性視圖，其中，第二實施例的相位差補償器被應用到TN液晶元件上；
圖31是應用了反射型TN液晶元件的液晶顯示器的示意性視圖，其中，第二實施例的相位差補償器被應用到TN液晶元件上；圖32是應用了第二實施例中的相位差補償器的三片式彩色液晶投影儀的示意性視圖；以及圖33是說明當使用一般光源時，處于正交尼科耳配置下的一對偏振片的光遮蔽屬性的亮度曲線圖表。
具體實施例方式
現在描述本發明的第一個實施例的相位差補償器。利用了相位差補償器的液晶顯示器具有如圖1所示的概念上的結構。偏振片3，4分別設置在TN液晶元件2的光入射表面一側和光出射表面一側。在常規白色模式下使用的偏振片3、4的偏振軸相互垂直(正交尼科耳配置)。偏振片3是將照明光轉換成線性偏振光的起偏器。偏振片4是檢偏器，它透射由TN液晶元件2調制的、偏振方向對應偏振片4的偏振方向的部分光，并且遮蔽來自TN液晶元件2的剩余光。
在TN液晶元件2和偏振片4之間，安裝本發明第一實施例的相位差補償器6。TN液晶元件2的液晶分子具有雙折射效應，這個效應能根據液晶分子的取向和照明光的入射角，將線性偏振光轉換成不同的橢圓偏振光。因此，有一種可能性會發生，即，在偏振片4處被遮蔽的光的一部分被疊加在圖成像光上。相位差補償器6補償了由液晶分子雙折射產生的尋常光和異常光之間的相位差，從而相反地將橢圓偏振光轉換成線性偏振光。由于相位差補償器6是由無機材料的沉積所形成的薄膜構成，因而該補償器包括作為支撐用的例如玻璃襯底的透明襯底。注意，TN液晶元件2的透明襯底和偏振片4的透明襯底可以被用作支撐。注意，相位差補償器6可以被安裝在TN液晶元件2和偏振片3之間以實現相同的效果。
如圖2所示，相位差補償器6具有疊加在作為支撐的玻璃襯底10的一個側面上的第一相位差補償層12和第二相位差補償層14，以及分別在第二相位差補償層14上和玻璃襯底10的另一側面上形成的抗反射層15、16。抗反射層15，16用于防止表面反射。作為抗反射層，例如可使用由具有低折射率的MgF2形成的λ/4光學厚度的單層膜。另外，可使用具有由不同沉積材料形成的多個層的抗反射膜。注意，當第一和第二相位差補償層12、14和抗反射層15、16是由沉積膜形成的時候，可使用通過電阻加熱或電子束加熱的真空沉積方法，或濺射沉積方法。第一相位差補償層12和第二相位差補償層14的相對位置可在不減小它們的光學效應的情況下反轉，并且能在玻璃襯底10的每個側面上形成。
如圖3所示，第一相位差補償層12包括交替堆疊在玻璃襯底10上的多個薄膜L1、L2。薄膜L1、L2的折射率相互不同。每個沉積方向與沉積表面是垂直的。每個薄膜的光學厚度(物理厚度和折射率的乘積)基本上小于入射光的波長λ(例如550nm)。每個薄膜的光學厚度優選是從λ/100到λ/5，更優選是從λ/50到λ/5，并且實際上是從λ/30到λ/10，這比利用光干涉的一般光學薄膜要更薄些。形成的多層膜是負雙折射的C-板，(單軸雙折射板)。作為負雙折射C-板，而不是多層膜的第一相位差補償層12的其它類型也能夠被采用。
如下設計第一相位差補償層12。如出版物，kogaku(日本光學期刊)，vol.27，no.1(1998)，pp.12-17，中所述，雙折射Δn被定義為兩個具有不同折射率的沉積膜L1、L2的光學厚度的比值。雙折射Δn隨著折射率的不同而變大。延遲d·Δn被定義為雙折射Δn和第一相位差補償層12的總的物理厚度d的乘積。兩個膜的光學厚度的比值被設計成使得獲得大的雙折射Δn。那么，根據期望的延遲d·Δn確定第一相位差補償層12的總的物理厚度。
多層沉積膜的樣品可通過將40個TiO2層和40個SiO2層交替地沉積在玻璃襯底10上而制備出來。每層的物理厚度是5nm。光譜型橢圓偏光計可用來測量該樣品的延遲。結果，該樣品表現出延遲為208nm的負雙折射，并且樣品的尋常光軸(沒有光學各向異性的軸)與玻璃襯底10是垂直的。因此，很清楚的是該樣品用作負C-板。
作為沉積膜L1、L2的沉積材料，高折射率薄膜材料的例子是TiO2(2.20到2.40)和ZrO2(2.20)。在圓括號內的數值表示折射率。低折射率薄膜材料的例子是SiO2(1.40到1.48)、MgF2(1.39)和CaF2(1.30)。作為沉積膜L1和L2的沉積材料，可能采用材料，例如CeO2(2.45)，Nb2O5(2.31)，SnO2(2.30)，Ta2O5(2.12)，In2O3(2.00)，ZrTiO4(2.01)，HfO2(1.91)，Al2O3(1.59到1.70)，MgO(1.70)，AlF3，金剛石薄膜，LaTiOx和釤氧化物。高折射率薄膜和低折射率薄膜的結合的例子是TiO2/SiO2，Ta2O5/Al2O3，HfO2/SiO2，MgO/MgF2，ZrTiO4/Al2O3，CeO2/CaF2，ZrO2/SiO2，和ZrO2/Al2O3。
多個沉積膜L1、L2通過沉積器件的使用而被沉積下來。沉積器件具有將玻璃襯底10與源材料屏蔽開的閘門。這個閘門選擇性地打開和關閉，以便兩個沉積膜L1、L2選擇性地沉積在玻璃襯底10上。代替該閘門，玻璃襯底10可以被固定在以預先確定的速度移動該襯底的固定器上。通過使襯底在蒸發的源材料上穿過可交替地沉積這兩個沉積膜L1、L2。由于沉積器件需要單真空過程以便獲得多個薄膜，所以是有可能增加生產率的。
第二相位差補償層14是由無機化合物形成具有O-板功能的堆疊層。作為生產方法，有斜沉積，如日本專利公開2004-212468中描述的光刻法，棒狀分子的排列等。考慮到生產率，斜沉積是最可取的。下面將描述由斜沉積形成的第二相位差補償層14。當使用斜沉積時，第一和第二相位差補償層可以通過相同的真空方法來形成。
如圖4所示，第二相位差補償層14具有三個堆疊的斜沉積膜S1、S2、S3。如圖2所示，第一堆疊斜沉積膜S1被堆疊在第一相位差補償層12上。但是，有可能的是，第一和第二相位差補償層12和14的位置可相互交換，這樣第一斜沉積膜S1在玻璃襯底10上形成，第二和第三斜沉積膜S2和S3順序地在第一堆疊斜沉積膜S1上形成，然后第一相位差補償層12在第三斜沉積膜S3上形成。另外，還有可能的是，第一相位差補償層12和第二相位差補償層14分別在玻璃襯底10的兩個側面上形成，并且抗反射層15和16分別在第一和第二相位差補償層12、14的最外層上形成。
與第一相位差補償層12的沉積膜L1和L2不同，第二相位差補償層14的斜沉積膜S1到S3從朝向沉積表面S0的斜方向被沉積下來。沉積膜S1到S3中的每一個分別具有微觀的柱形元件M1到M3，M1到M3都是朝向其沉積方向斜著延伸的。如圖4所示，這些柱形元件M1到M3的延伸方向相互之間不是平行的。斜沉積膜S1到S3中的每一個作為單獨的一層都能顯示出或形成雙折射效應，并且能用作具有正雙折射的O-板。但是，在本發明的第二相位差補償層14中，多個斜沉積膜被堆疊以獲得獨特的光學效應。
例如，斜沉積膜S1到S3可由斜圖5所示的沉積器件形成。以轉塔的方式旋轉的材料固定器21設置在基板20上。沉積材料22，23在材料固定器21里。在對真空腔抽真空之后，電子槍25向沉積材料22輻射出電子束27，從而蒸發沉積材料22。因此，能夠進行真空沉積。閘門29打開或關上材料固定器21，從而開始或停止真空沉積。材料固定器21旋轉以選擇用于沉積的沉積材料22、23中的一個。基本上，第二相位差補償層14是由來自一種沉積材料的多個膜層形成的。但是，通過利用材料固定器21，多個沉積材料可根據需要加以使用。
襯底固定器30被傾斜著放置在材料固定器21之上，用于支撐樣品襯底26。襯底固定器30的支撐表面的法線和從沉積材料22垂直延伸的線P成角度β。因此，樣品襯底26的沉積表面也與線P成β角度。通過將襯底固定器30繞著垂直于軸30a的軸旋轉，可控制角度β。另外，通過將襯底固定器30繞著軸30a旋轉，可控制對應于在沉積表面內的線P的方位角的角度α。因為線P對應于朝向沉積表面的沉積方向，通過改變角度α和β可以兩種方式控制朝向沉積表面的沉積方向。如上所述，角度α對應于在沉積表面內的沉積方向的方位角，并且角度β對應于代表朝向沉積表面的沉積方向的傾斜角的極角。因此，在這之后，角度α被叫做方位角α，而角度β被叫做極角β。
石英晶體型的膜厚度監視器31在測量平面上監視沉積膜的厚度，從而相對地測量在樣品襯底26上的沉積膜的厚度。在形成斜沉積膜的同時，橢圓偏光計32接收來自光發射器33且穿過監視器襯底28的測量光，從而相對地測量伴隨雙折射的相位差。膜厚度監視器31的測量平面和包括監視襯底28的相位差測量系統能被旋轉，以對應于襯底固定器30的極角β。另外，通過遮光板的移位，在每次完成斜沉積膜中每一層的形成時，都可暴露出測量平面和監視襯底的新的清潔表面。因此，斜沉積膜的每層的相位差都能夠被監視到。根據橢圓偏光計32測量出的相位差的數據可估計出斜沉積膜的延遲。因此，通過在監視來自橢圓偏光計32和厚度監視器31的數據的情況下進行沉積，可獲得包括多個層的斜沉積膜，其中每一層都具有期望的延遲。
根據上述的過程，通過監視每一層的相位差，包括多層斜沉積膜的第二相位差補償層能在樣品襯底26上形成。并且在第一相位差補償層12首先如圖2中所示形成在玻璃襯底10上的情況下，通過將玻璃襯底10固定在襯底固定器30上并且完成斜沉積以便于每一層都具有預先設計的延遲，可在第一相位差補償層12上形成多層第二相位差補償層14。
正如圖6所示，當正交投影到在沉積表面S0上的X-Y坐標上時，朝向沉積表面S0的沉積方向P由在逆時針方向上從X軸測量的方位角α和從Z軸測量的極角β表示。極角β是沒有正負方向性的與Z軸的傾斜角，而方位角α參照X軸是具有方向性的。
如圖8所示，為了給液晶分子38提供90度的扭曲取向，提供了TN液晶元件2的內襯底35、36，取向膜35a、36a。取向膜35a賦予液晶分子38平行于示出圖8的紙面的取向。取向膜36a賦予液晶分子38垂直于該紙面的取向。將偏振片3，4分別調整到取向膜35a、36a的取向。當飽和電壓被施加時，如圖8所示，分布在單元厚度方向上的中心區域的液晶分子38處于垂直取向。然而，在襯底35、36附近，存在液晶分子38的傾斜角度連續變化的區域。相位差補償器6的第一相位差補償層12通過在垂直取向上的液晶分子38的雙折射效應補償相位差。第二相位差補償層14通過在分子傾斜角度連續變化的區域，也就是混合取向的區域，的液晶分子38的雙折射效應補償相位差。
液晶分子38的取向取決于制作取向膜35a和36a的摩擦方向。如圖7所示，摩擦過程被應用到處于如箭頭35b和36b所示方向的取向膜35a，36a中。據此，液晶分子38的取向被確定下來。注意，在圖6、7中的X-Y-Z坐標系統在空間中是相同的方向進行定義的。X軸的方向被確定下來以使得取向膜35a的摩擦方向35b與X軸有一個角度δ＝45°。相應地，取向膜36a的摩擦方向36b對應于與X軸成-45°的方向。當電壓被應用到在這種排列中的TN液晶元件2時，分布在液晶單元厚度方向上的中心區域的液晶分子的長軸在Y-Z平面內移動，并且它的傾斜角從Y軸的正方向移動到Z軸的正方向。
沉積方向P近似對應于斜沉積膜S1的光軸。斜沉積膜S1具有自雙折射效應顯示出的O-板屬性。但是，斜沉積膜S1表現出對平行于柱形元件M1取向的光的光學各向同性。然而，光軸進入膜S1內，且在折射率是1的介質(例如空氣)和膜S1之間的交界面處發生折射，然后該光軸對應于柱形元件M1的取向。也就是，光軸根據斜沉積膜的折射率以一個角度從柱形元件的方向傾斜。因此，從精度上講，沉積方向P和光軸不是嚴格的相同方向。
相應地，光軸矢量P1可根據沉積方向P和延遲(dΔn)S1進行確定，其中，沉積方向P是當原點O為基點時由方位角α和極角β定義的，而延遲(dΔn)S1是由斜沉積膜S1的膜厚度和雙折射定義的。按照與斜沉積膜S1的光軸矢量P1相同的方式，可確定斜沉積膜S2、S3的光軸矢量P2、P3。一般而言，光軸矢量Pi是按照下面由延遲(dΔn)Si方位角αi和極角βi的組合來表示的Pi(x，y，z)＝((dΔn)Si×cosαi×tanβi，(dΔn)Si×sinαi×tanβi，(dΔn)Si)注意，在上面的數字中下標i表示斜沉積膜的號碼(例如S1、S2、S3)。這些光軸矢量Pi的合成矢量A可如下表示A＝∑Pi合成矢量A對應于由每層的延遲(dΔn)Si加權的多層斜沉積膜的平均矢量。
為了形成具有三層的第二相位差補償層14，斜沉積膜S1到S3有多種組合，這取決于怎樣確定光軸矢量P1到P3以及為了獲得光軸矢量P1到P3而對延遲(dΔn)Si、方位角αi和極角βi的選擇。在本發明中，賦值的基礎是當合成矢量A被正交地投影到沉積表面S0時x和y的坐標值(Ax，Ay)，從而優化第二相位差補償層14。
具體而言，當斜沉積膜S1到S3的光軸矢量P1到P3被合成并且合成矢量A如圖9所示被正交投影到沉積表面S0時，其中，x-y表面是從圖6中Z軸的正方向觀察到的，將合成矢量A確定為使得關于合成矢量A的x和y坐標值(Ax，Ay)的條件公式1得到滿足。該條件公式1如下(條件公式1-I)-200nm≤Ax≤200nm以及-500nm≤Ay≤0nm。
Ax和Ay由與圖6和7中描述的XYZ坐標系統相同的坐標系統定義，并且被確定為對應于分布在液晶單元厚度方向上的中心區域的液晶分子的長軸取向。Ax和Ay與液晶分子的扭曲方向無關。Ax和Ay的優選值如下(條件公式1-II)-100nm≤Ax≤100nm以及-300nm≤Ay≤-50nm。
在TN液晶元件2中，變成垂直取向的液晶分子38的比例隨著為暗狀態顯示器施加的飽和電壓的值而變化。因為第一相位差補償層12通過垂直取向的液晶分子38的雙折射效應來補償光學各向異性，所以當垂直取向的液晶分子38的比例較大時，第一相位差補償層12的延遲值變大。垂直取向的液晶分子38的延遲在整個TN液晶單元延遲的50％到90％的范圍中。
為確定第一相位差補償層12的延遲，需要考慮另外的因素。也就是，有必要抵消在正Z軸方向上由第二相位差補償層14引起的相位差的過量補償。斜沉積膜S1到S3通過在TN液晶元件2的襯底附近的液晶分子補償與相位差相關的角度。但是，為了通過近似平行于襯底的液晶分子來補償該相位差，需要光軸近似平行于襯底的斜沉積膜，也就是，極角β接近90°，以便使得柱形元件的取向近似平行于襯底。在現實中，生產這種斜沉積膜是極其困難的。
因此，為了通過近似平行于襯底的液晶分子來補償相位差，需要使用具有小于理論角的極角的厚斜沉積膜。結果，在垂直于襯底的方向上，進行了相位差的過量補償。因為這個原因，第一相位差補償層12需要具有通過第二相位差補償層14減少過量補償的效應。第一相位差補償層12的延遲量被確定下來以產生負的相位差，用于抵消由第二相位差補償層14的補償性能導致的過量正相位差。雖然延遲量的下限是“0”，但是它的上限是取決于過量正相位差的量。特別是，膜的厚度是由例如形成膜的難度和成本所限制的。
考慮到上面的因素，在第一相位差補償層12的負延遲(dΔn)和TN液晶元件的正延遲(dΔn)LC之間的優選關系如下(條件公式2)-2×(dΔn)LC≤(dΔn)≤-0.5×(dΔn)LC。
作為第二相位差補償層14的沉積材料，和第一相位差補償層12的沉積材料相同，可使用比如TiO2，SiO2，ZrO2和Ta2O3的斜沉積膜形式的、具有波長無關的充足光學透明度的材料。
此后，將解釋本發明的相位差補償器6的具體實驗。這些實驗是用于根據對比度曲線，評價合適于TN液晶元件的第一和第二相位差補償層的最佳結構條件。TN液晶元件所處的條件是波長550nm處的雙折射(Δn)為0.124，單元的厚度(液晶層的厚度)是4500nm，而且延遲值(dΔn)LC為558nm。對比度曲線被形成為使得在液晶的亮狀態和暗狀態之間的亮度作為每個視角下的對比度而加以測量，而且具有相同對比度的視角被連接在一起。TN液晶元件本身的對比度曲線在圖10中示出。從圖10可以看出，對比度隨視角發生巨大地改變。注意在下面描述的實驗中，膜形成是第一和第二相位差補償層的參考波長為550nm的條件下進行的。
(實驗1)作為玻璃襯底的Corning1737(50mm×50mm)由丙酮清洗并充分地干燥，然后將其設置在用于進行通常的前沉積(β＝0°)的沉積器件內。真空腔放入空氣到1×10-4Pa，并且玻璃襯底被加熱到300℃從而形成三層抗反射膜，抗反射膜是從玻璃襯底側開始按照順序堆疊的λ/4光學厚的SiO2，λ/2光學厚的TiO2和λ/4光學厚的SiO2。參考波長λ為550nm。
在形成抗反射層之后，玻璃襯底在真空腔內被里面向外地翻轉過來，以形成第一相位差補償層。第一相位差補償層包括多層膜，其中，兩種類型的沉積膜L1、L2如圖3所示被交替地堆疊。其延遲(dΔn)是負的。因為延遲(dΔn)可通過改變總的物理厚度d和雙折射Δn而在一定程度上加以控制，該第一相位差補償層的延遲值被設置在-600nm。
以下是對第一相位差補償層的補充解釋。已知的是，迭片結構包括分別具有折射率n1、n2和物理膜厚度a、b的薄膜，這些薄膜以基本上短于波長的斜度(a+b)交替地堆疊，從而該迭片結構變成帶有負雙折射Δn的形式雙折射體。當電磁波垂直進入形式雙折射體時，只存在電場平行于每一層的平面振動的TE波。因此，形式雙折射體不會表現出雙折射屬性。然而，當電磁波斜著進入到包括多層的每個迭片結構表面時，則存在電場平行于每一層的平面振動的TE波分量，和電場垂直于每一層的平面振動的TM波分量，并且它們的有效折射率NTE，NTM是不同的。該有效折射率NTE，NTM如下所示NTE={(an12+bn22)/(a+b)}(1/2)]]>NTM=[(a+b)/{(a/n12)+(b/n22)}](1/2)]]>有效折射率NTE和NTM之差是導致雙折射屬性的因素，而且雙折射Δn由公式計算出來Δn＝NTE-NTM上面的公式說明雙折射Δn可以通過選擇沉積層L1、L2的折射率n1和n2以及它們的物理膜厚度a和b來確定。進一步地，總的物理膜厚度d能通過改變沉積層L1、L2的疊片數目來確定。因此，通過選擇具有光學透明度和出眾的沉積穩定性的沉積材料，以及設計該膜，第一相位差補償層的延遲(dΔn)能夠接近TN液晶元件的延遲值(dΔn)LC。
如上所述第一相位差補償層被形成在玻璃襯底上，然后將該玻璃襯底從真空腔內取出。用丙酮再次清洗該玻璃襯底，并充分地干燥，然后將其放置在圖5所示的沉積器件中。對帶有兩個膜的第二相位差補償層進行沉積，以便沉積表面是第一相位差補償層的最上面的一層膜。第一層膜是斜沉積膜S1，其中，方位角α是-137°，極角β是-45°，延遲(dΔn)S1是150nm，第二層膜是斜沉積膜S2，其中，方位角α是-45°，極角β是33°，延遲(dΔn)S2是180nm。在監視來自橢圓偏光計32和膜厚度監視器31的數據的情況下形成第二相位差補償層之后，樣品被從圖5所示的沉積器件中取走，并且被放置在用于進行常規前沉積(normal front deposition)的沉積器件內，從而形成和首先形成的三層抗反射膜相同的三層抗反射膜。
作為用于第二相位差補償層的斜沉積膜S1和S2的沉積材料，可使用混有10重量百分比的TiO2的ZrO2。為了形成膜，對真空腔應用到真空處理直到1×10-4Pa，然后氧氣被放進真空腔直到1×10-2Pa，從而充分氧化該膜。在如上所述的實驗1中，獲得的第一和第二相位差補償層的結構和參數在表1中進行了說明。


當實驗1的相位補償器被應用到TN液晶元件時，對比度曲線變成在圖11中所示的狀態。顯然，在圖11中的對比度曲線的視角屬性是從圖10中的視角屬性改進而得到的，而圖10示出了TN液晶元件本身的對比度曲線。
因為當斜沉積膜S1的光軸矢量P1被正交地投影到沉積表面上時，X和Y坐標值為(83，-83)，而且當斜沉積膜S2的光軸矢量P2被正交地投影到沉積表面上時，X和Y坐標值為(-110，-102)，光軸矢量P1、P2的合成矢量A的X和Y坐標值變成(-27，-183)。因此，條件公式1得到滿足。另外，因為第一相位差補償層的延遲(dΔn)是-600nm，該值處于當TN液晶元件的延遲是558nm時條件公式2中的最小值為-1118nm到最大值-279nm的范圍內，所以條件公式2也得到了滿足。
(實驗2)按照與實驗1相同的方式，形成實驗2的樣品。TN液晶元件和抗反射層的結構和實驗1是相同的，而且第一和第二相位差補償層的的膜結構與實驗1是不同的。第一和第二相位差補償層的結構和參數在表格2中進行了說明。在實驗2中，第二相位差補償層具有三層膜，并且每層膜的方位角α以同一方向旋轉。因此，光軸矢量P1到P3順序地以逆時針方向以螺旋方式在沉積表面上旋轉。


實驗2的對比度曲線在圖12中示出。高對比度區域變得大于實驗1的高對比度區域，并且與實驗1相比，對視角的依賴性變低。斜沉積膜S1到S3的光軸矢量P1到P3的合成矢量A的X和Y坐標值變成(-18，-196)。因為第一相位差補償層的延遲是-370nm，條件公式1和條件公式2都得到了滿足。
(實驗3)在實驗3中，第一相位差補償層的延遲是-440nm，并且第二相位差補償層和實驗2相同具有三層。第一和第二相位差補償層的結構和參數在表格3中進行了說明。在實驗3中，與實驗2相反，第二相位差補償層的第三層以與第一和第二層中每一個的方位角α的旋轉方向相反的方向旋轉，在實驗2中，光軸矢量P1到P3順序地以一個方向按螺旋方式旋轉。


實驗3的對比度曲線在圖13中示出。視角屬性依然保持得很好。斜沉積膜S1到S3的光軸矢量P1到P3的合成矢量A的X和Y坐標值變成(-2，-223)。因為第一相位差補償層的延遲是-440nm，條件公式1和條件公式2都得到了滿足。注意，不考慮第二相位差補償層的三層膜的三個光軸矢量沒有以螺旋的方式旋轉的情況，從圖12和13之間的比較可以看出，盡管對比曲線的形狀發生了改變，但是對視角屬性沒有什么影響。
(實驗4)在實驗4中，第一相位差補償層的延遲是-500nm，并且第二相位差補償層具有四層。第一和第二相位差補償層的結構和參數在表格4中進行了說明。第二相位差補償層的斜沉積膜S1到S4被確定為使得每層膜的方位角α以相同方向旋轉。因此，光軸矢量P1到P4順序地按逆時針方向以螺旋方式旋轉。



實驗4的對比度曲線在圖14中示出。視角屬性得到改善。斜沉積膜S1到S4的光軸矢量P1到P4的合成矢量A的X和Y坐標值變成(32，-77)。因為第一相位差補償層的延遲是-500nm，條件公式1和條件公式2都得到了滿足。
(實驗5)在實驗5中，第一相位差補償層的延遲是-470nm，并且第二相位差補償層具有四層。第一和第二相位差補償層的結構和參數在表格5中進行了說明。第二相位差補償層的斜沉積膜S1到S4的每一個的方位角α以與實驗4中相反的方向旋轉。因此，光軸矢量P1到P4順序地按順時針方向以螺旋方式旋轉。


實驗5的對比度曲線在圖15中示出。良好的視角屬性被獲得。斜沉積膜S1到S4的光軸矢量P1到P4的合成矢量A的X和Y坐標值變成(8，-191)。因為第一相位差補償層的延遲是-470nm，條件公式1和條件公式2都得到了滿足。可以發現，在當第二相位差補償層中的各膜的光軸矢量的螺旋方向按照例子4進行確定和按照例子5進行確定時，都可獲得良好的視角屬性。但是，這并不意味著光軸矢量的螺旋方向不影響視角屬性。當螺旋方向改變時，包括每層膜的方位角α和極角β，第二相位差補償層中每層膜的延遲以及第一相位差補償層的延遲的這組數據的最佳值也會改變。
(實驗6)在實驗6中，第一相位差補償層的延遲是-350nm，并且第二相位差補償層具有五層。第一和第二相位差補償層的結構和參數在表格6中進行了說明。斜沉積膜S1到S5的光軸矢量P1到P5以螺旋的方式旋轉。


實驗6的對比度曲線在圖16中示出。良好的視角屬性被獲得。斜沉積膜S1到S5的光軸矢量P1到P5的合成矢量A的X和Y坐標值變成(6，-239)。因為第一相位差補償層的延遲是-350nm，條件公式1和條件公式2都得到了滿足。
如實驗1到6所述，第一相位差補償層的延遲和具有多個膜的第二相位差補償層的適當的結構的組合能有效地補償TN液晶元件中對視角的依賴性。特別地，第二相位差補償層的合適的膜配置會受到第一相位差補償層的延遲的影響，這意味著存在大量的參數組合來獲得最佳視角屬性。盡管如此，上面的實驗示出第一和第二相位差補償層的組合需要滿足至少條件公式1和2。
基本地，第一相位差補償層的延遲數值需要根據液晶分子的正雙折射和液晶層的厚度來確定。但是，在一些種類的TN液晶元件中，當施加電壓液晶分子變成垂直取向時，液晶分子的比例不是常數。因此，第一相位差補償層的延遲值應在考慮這個比例的波動范圍的情況下進行確定。另外，延遲值應該根據第二相位差補償層的正雙折射加以調整。
另外，如上所述，本發明的相位差補償器的位置不限于在TN液晶元件的光出射表面一側，也能在其光入射表面一側。而且，第一相位差補償層和第二相位差補償層能夠在各自的玻璃襯底上形成，并且在其間保持一定距離的情況下使用。進一步地，更優選的實施例之一是，分別設置在TN液晶元件的光入射表面和光出射表面上的一對偏振片的基片中的至少之一，可被作為第一相位差補償層和/或第二相位差補償層的基底使用。
當參考波長被設置在例如550nm用來形成第一和第二相位差補償層時，可將本發明的相位補償器能夠應用到全色直視類型液晶顯示器上，這種顯示器具有作為顯示元件的單板TN液晶元件。但是，因為液晶分子和相位補償器中每一個的雙折射效應是根據波長變化的，更優選的是根據每一種顏色分量的光的參考波長提供相位補償器中各個膜的特別結構。在這種液晶顯示器中，通常將用于透射作為彩色光分量的紅、綠和藍光之一的微型色彩濾波器并入到TN液晶元件中。因此，優選的是，使用具有對應于每個色彩濾波器的不同膜結構的三種相位差補償器。
根據每個彩色光分量的參考波長改變相位補償器的膜結構可有效地應用到包括三個對應于每個彩色光分量的TN液晶元件的三片式液晶投影儀。三片式液晶投影儀的結構在圖17中示意性的示出。
在圖17中，三個液晶元件50R、50G、50B分別顯示具有根據紅，綠和藍色中每個顏色分量的圖像的透射密度的單色圖像。來自光源52的發射光通過截取濾波器53去除掉紫外和紅外分量，而變成包括紅、綠和藍光的白光。白光沿著照明光軸傳播時(在附圖上的虛線)并且進入作為積分器的玻璃桿54。因為玻璃桿54的入射平面位于光源52的拋物線反射鏡焦點位置的附近，所以來自截取濾波器53的白光在沒有大的損耗下進入玻璃桿14的入射平面。
在穿過玻璃桿54之后，白光被中繼透鏡55和準直透鏡56準直。準直后的白光在反射鏡57上被朝向二色性的反射鏡58R，該二色性反射鏡58R是透射紅光并且反射藍光和綠光。用于紅色圖像50R的液晶元件由在反射鏡59上反射的紅光從后面照亮。在二色性反射鏡58R上反射的藍光和綠光，到達一個二色性反射鏡58G，其中，只有綠光被反射。在二色性反射鏡58G上由反射的綠光從后面照亮用于綠色圖像50G的液晶元件。在反射鏡58B、60上反射的藍光，從后面照亮用于藍色圖像50B的液晶元件。
液晶元件50R、50G、50B包括TN液晶元件層，并且分別顯示紅、綠和藍色不透明度(density)的圖像。顏色重組棱鏡64位于從顏色重組棱鏡64的中心到液晶元件50R、50G、50B的光學距離相同的位置。顏色重組棱鏡64具有兩個分別反射紅光和藍色圖像光的二色性平面64a、64b，以便于紅色、綠色和藍色圖像光被混合成全色圖像光。投影透鏡系統65從顏色重組棱鏡64的出射平面到屏幕70的方向de投影光軸上。投影透鏡系統65的物方焦點在液晶元件50R、50G、50B的出射平面上。投影透鏡系統65的像方焦點在屏幕70上。因此，來自顏色重組棱鏡64的全色圖像光通過投影透鏡系統65而聚焦在屏幕70上。
前偏振片66R、66G、66B作為起偏器被分別設置在液晶元件50R、50G、50B的入射平面的前面。相位差補償器67R、67G、67B和作為檢偏器的后偏振片68R、68G、68B被布置在液晶元件50R、50G、50B的出射平面一側。前偏振片66R、66G、66B和后偏振片68R、68G、68B的偏振方向相互垂直(正交尼科耳配置)。相位差補償器67R、67G、67B中的每一個包括第一相位差補償層和第二相位差補償層，用于分別補償液晶元件50R、50G、50B的每種顏色的相位差，如上所述。
雖然液晶元件50R、50G、50B具有相同的TN液晶元件，已知的是延遲(dΔn)LC一般是根據波長而變化。圖像18示出了厚度是4.5μm的TN液晶元件的波長相關性。雙折射Δn根據波長變化，而且延遲(dΔn)LC也是根據波長變化。在這幅圖中，Re的意義是當根據施加的電壓變成垂直取向的液晶分子的比例為70％時的有效延遲。上述的第一相位差補償層是通過有效延遲Re補償正相位差的。注意垂直取向的液晶分子的比例并不限于70％，并且這個比例可隨著多種因素變化，比如TN液晶元件的結構、厚度、不透明度和飽和電壓值。
為了有效地補償TN液晶元件的有效延遲Re，第一相位差補償層由交替地堆疊在襯底上的40個TiO2膜和40個SiO2膜組成，其中，每層TiO2膜具有30nm的厚度，每層SiO2膜具有20nm的厚度。如圖19所示，第一相位差補償層的負延遲的絕對數值(dΔn)取決于波長，這是因為TiO2膜和SiO2膜的折射率具有波長相關性。第一相位差補償層被設計成有效地補償在可見光區域具有高可見度的550nm波長處的相位差。但是，如圖20所示，在較短的波長一側，不能執行適當的相位差補償。
考慮到上述問題，在本發明中，每個相位差補償器67R、67G、67B的第一相位差補償層的厚度，可通過利用包括厚度比波長足夠小的沉積膜的第一相位差補償層的特征，而根據每個顏色通道進行改變。也就是，負雙折射Δn通過兩種沉積膜的折射率和其厚度的比值來確定，并且延遲值通過改變與雙折射Δn相乘的總的膜厚度(堆疊的每個層的數目)進行控制。圖21示出了一個例子。
在這個例子中，第一相位差補償層的厚度分別為藍，綠和紅光加以改變。在沉積膜中的TiO2膜和SiO2膜在每個色彩通道的物理厚度為20nm和30nm。但是，根據當參考波長λ為450nm，即接近藍色分量光的中心波長時TN液晶元件413nm的延遲，用于藍色光的第一相位差補償層具有72層堆疊膜和1.8nm的總的膜厚度d。以相同的方式，當參考波長λ為綠色分量光的550nm時，用于綠色光的第一相位差補償層具有80層堆疊膜和2.0μm的總的膜厚度d。還有當參考波長λ為紅色分量光的650nm時，用于紅色光的第一相位差補償層具有82層堆疊膜和2.1μm的總的膜厚度d。
結果，正如在圖22中所表示，證明液晶元件50R、50G、50B的每種顏色通道的延遲可根據每種顏色光的各自波長得到很好的補償。在純藍色背景被投影到屏幕70上時，液晶元件50B的整個區域處于亮的狀態，并且液晶元件50R、50G的整個區域處于暗的狀態。在這個時候，由在液晶元件50R、50G里由于施加了飽和電壓而垂直取向的液晶分子的雙折射效應引起的正相位差，可由負延遲有效地加以補償，其中的負延遲是由分別在相位差補償器67R和67G中提供的用于紅光和綠光的第一相位差補償層獲得的。因此，來自作為檢偏器的偏振片68R和68G的發散光幾乎不會產生，這實現了在沒有模糊的情況下的鮮明的純藍色背景的投影。
因為相同的原因，當白光被投射到屏幕的整個區域和當屏幕的整個區域處于暗狀態兩者之間的對比度從500∶1提高到700∶1。另外，為了投射一般的全色圖像，圖像的清晰度可通過填滿的黑色而得到改善。注意，正如從圖22中看出的，用于綠光和紅光的第一相位差補償層的波長相關性比用于藍光的波長相關性要低。相應地，有可能的是，具有相同的總膜厚度的第一相位差補償層可分別用于綠光和紅光。在這種情況下，優選的是，參考600nm波長確定總的膜厚度。
如上所述，當本發明的相位差補償器被應用于三片式彩色液晶投影儀時，有效的是至少針對每兩個顏色通道調整該第一相位差補償層總膜厚度。上述的解釋只考慮了液晶元件50R、50G、50B的延遲(dΔn)LC的波長相關性。但是，在相位差補償器67R、67G、67B的每一個中的第二相位差補償層在每個顏色通道中還具有不同的參考波長，并且具有對應于每個參考波長的特定結構。第二相位差補償層和液晶分子具有相同的正延遲。因此，優選為了進行調整，第一相位差補償層的總膜厚度增加。注意，即使進行了調整，每個顏色通道的第一相位差補償層的負延遲也能滿足條件公式2。
有可能的是，上述相位差補償器67R、67G、67B分別位于液晶元件50R、50G、50B中每一個的光入射表面。另外，存在一種情況，即，在液晶元件中使用包括多個微型透鏡的微型透鏡陣列，其中一個微型透鏡對應于用于一個像素以便提高孔徑效率。在這種類型的液晶元件中，一般地，進入液晶層的照明光的入射角度分布比進入微型透鏡陣列的照明光的入射角度分布要寬。因此，為了有效地補償相位差，優選相位差補償器67R、67G、67B分別位于液晶元件50R、50G、50B中每一個的光出射表面。
期望的是，通過使用其中如上面所述對第一和第二相位差補償層進行了優化的相位差補償器67R、67G、67B，可使得在屏幕70上的對比度變成1000∶1或更高。另外，由于相位差補償器只由無機材料形成，所以沒有熱電阻和光電阻的問題。因此，本發明的相位差補償器能可有效地應用于比如可以長期使用的家用背投電視的產品。
此前，描述了本發明的第一個實施例的相位差補償器和液晶投影儀。至于用于形成相位差補償器的襯底，一些透明無機材料可與玻璃襯底一樣被使用。為了應用到液晶投影儀中，優選的材料是具有高熱導性的藍寶石襯底和石英襯底。另外，有可能的是，第一相位差補償層和第二相位差補償層分別形成在單獨的透明襯底上。并且透鏡、棱鏡，一些種類的濾波器和在光學系統中的液晶元件的襯底能夠用作相位差補償層的透明襯底。
接下來，描述本發明的第二個實施例的相位差補償器。注意，在第二個實施例中的元件，如果也在第一個實施例中被使用，則被賦予和第一個實施例中相同的附圖標記，并且省略了對這些元件的詳細的解釋。如圖23所示，相位差補償器102設置在偏振片103和104之間，并且這些部件102到104被導向垂直于光軸105的方向。偏振片103和104為正交尼科耳配置，其中偏振片103和104的透射軸相互成直角。當照明光107只包括平行于光軸105的光束時，即使沒有相位差補償器102，光也不從在光出射一側的偏振片104發散出來。但是，當照明光107包括不平行于光軸105的光束時，如果沒有相位差補償器102，光將從偏振片104發散出來。通過相位差補償器102的使用，即使當照明光包括傾斜于光軸105的光時，也能大大減少來自偏振片104的發散光108。
如圖24所示，相位差補償器102具有和在圖2中的相位差補償器6基本相同的結構。但是，如圖25所示，第二相位差補償層114包括四種斜沉積膜S1到S4。在這種實施例中，第一斜沉積膜S1堆疊在第一相位差補償層12上。然而，有可能的是第一和第二相位差補償層12和114的位置可交換，從而第一斜沉積膜S1形成在玻璃襯底10上，第二到第四層斜沉積膜S2到S4順序地形成在第一斜沉積膜S1上，然后第一相位差補償層12形成在第四層斜沉積膜S4上。另外，也有可能的是，第一相位差補償層12和第二相位差補償層114被分別形成在玻璃襯底10的兩側，而且抗反射層15和16分別形成在第一和第二相位差補償層12和114的最外層。
與第一相位差補償層12的沉積膜L1和L2不同的是，第二相位差補償層114的斜沉積膜S1到S4以朝向沉積表面S0的斜方向被沉積。沉積膜S1到S4中的每一層分別具有微觀柱形元件M1到M4，它們向其沉積方向斜著延伸。斜沉積膜S1到S4中的每一層作為單獨的層次能夠表現出形式雙折射效應，并且能夠用作具有正雙折射的O-板。但是，斜沉積膜S1到S4表現了對平行于柱形元件M1到M4的方向的光的光學各向同性。相應地，光軸進入到膜S1到S4中，并且在折射率為1的介質(比如空氣)和膜S1到S4之間的界面上發生折射，然后該光軸對應于柱形元件M1到M4的方向。也就是，光軸以一個根據斜沉積膜的折射率的角度傾斜于柱形元件的方向。斜沉積膜S1到S4的沉積方向不平行于沉積表面S0，并且相互不同從而柱形元件M1到M4的方向也相互不同。相應地，當光軸被正交地投影到沉積表面S0上時，每層膜S1到S4的光軸的方位角也彼此不同。
斜沉積膜S1到S4可以和第一個實施例中相位差補償器6的第二相位差補償層14一樣，通過圖5中所示的沉積器件來形成。如圖26所示，當朝向沉積表面S0的沉積方向P被正交地投影到在沉積表面S0上的X-Y坐標上時，該沉積方向P可由方位角α和極角β表示，其中α是以逆時針的方向從X軸開始測量的，而β是從Z軸開始測量的。極角β無正負方向的情況下從Z軸開始的傾斜角，而方位角α具有參考X軸的方向性。X軸的方向被確定成與偏振片103和104的透射軸103a和104a成δ＝45°的角度。X軸的方向在斜沉積膜S1到S4中是共用的。注意，如圖33所示，由于這對正交尼科耳配置下的偏振片3、4的視角屬性具有90°的旋轉對稱性，所以X軸的方向不會受到限制。
斜沉積膜S1到S4中的每一層大致對應于其每一個的沉積方向。斜沉積膜S1到S4中的每一層作為單獨的一層能夠顯示出形式雙折射效應，并且可用作具有正雙折射的O-板。如上所述，準確地講，斜沉積膜S1到S4中的每一層的光軸并不是完全與沉積方向P相同。但是，因為由微小的未對準而引起的效應在實際使用中可被忽略，所以每一層斜沉積膜的光軸的方向能由方位角α和極角β約計。
為了形成第二相位差補償層114，可確定每一層斜沉積膜S1到S4的方位角α和極角β。每一層斜沉積膜S1到S4的沉積材料的折射率是給定的，并且每一層斜沉積膜S1到S4的光軸方向被假設近似地對應其沉積方向。因此，和斜沉積方向一樣，每一層斜沉積膜S1到S4的光軸可被設置在一個期望值上。發明人利用對每一層斜沉積膜S1到S4的方位角α和極角β的控制，制作出了包括斜沉積膜S1到S4的第二相位差補償層114的不同樣品，并且估計出了每個樣品的視角依賴性。結果，證實第二相位差補償層114的視角屬性得到了改善，特別是當包括三層或更多的斜沉積膜，且其中的兩層各自投影到沉積表面上的光軸相互之間隔開180°。
注意，為了改善視角屬性，除了方位角α和極角β之外，還有各種不同的參數，比如每一層斜沉積膜的膜厚度和延遲。雖然徹底地檢查這些參數和視角屬性之間的關系是非常困難的，但是稍后描述的實驗7可證明具有出眾的用于實際目的的視角屬性。至于第二相位差補償層114的沉積材料，和第一相位差補償層12的沉積材料相同，可使用斜沉積膜的形式中具有與波長無關的充足光學透明性的材料，例如TiO2，SiO2，ZrO2和Ta2O3。
(實驗7)此后，描述本發明的相位差補償器102的具體實驗。和實驗1到6相同，在形成抗反射層之后，在真空腔內將玻璃襯底從里到外地翻轉，從而形成在圖2中所示的第一相位差補償層。第一相位差補償層是負的C-板，其延遲(dΔn)是-341nm.
將如上所述其上形成有第一相位差補償層12的玻璃襯底從真空腔中取出。用丙酮清洗玻璃襯底，并充分地干燥，然后將其設置在圖5所示的沉積器件中。沉積具有四層膜的第二相位差補償層，從而該沉積表面是第一相位差補償層的最上面一層膜。第一層膜是斜沉積膜S1，其中方位角α是-46.5°，極角β是14°，而且延遲(dΔn)S1是106nm。第二層膜是斜沉積膜S2，其中方位角α是135°，極角β是45°，而且延遲(dΔn)S2是111nm。第三層膜是斜沉積膜S3，其中方位角α是-42°，極角β是10°，而且延遲(dΔn)S3是87nm。第四層膜是斜沉積膜S4，其中方位角α是-45°，極角β是12.5°，而且延遲(dΔn)S4是88nm。在形成包括斜沉積膜S1到S4的第二相位差補償層之后，將樣品從圖5中所示的沉積器件上取走，并且將其設置在用于完成常規前沉積的沉積器件中，從而形成和圖2所示的抗反射膜15相同的三層抗反射膜。
至于第二相位差補償層114的斜沉積膜S1到S4的沉積材料，可使用與重量百分比為10的TiO2混合的ZrO2。為了形成膜，對真空腔施加真空處理直到1×10-4Pa，然后將氧氣送入真空腔直到1×10-2Pa，從而使該膜充分氧化。在上面描述的實驗7中，獲得的第一和第二相位差補償層的結構和參數在表格7中進行了說明。


關于每層斜沉積膜Si(i＝1到4)，根據沉積方向P確定光軸矢量Pi，這個沉積方向P是由下面的參數確定的方位角α和極角β，以及由斜沉積膜Si的膜厚度和雙折射定義的延遲(dΔn)S1。一般地，光軸矢量Pi以延遲(dΔn)si、方位角αi和極角βi的組合示出如下Pi(x，y，z)＝((dΔn)Si×cosαi×tanβi，(dΔn)Si×sinαi×tanβi，(dΔn)Si).
計算投影矢量Ai，該投影矢量Ai是如圖26所示正交投影到的X-Y平面上的光軸矢量Pi。計算結果如下A1(x，y)＝(18.29，-19.35)A2(x，y)＝(-78.49，-78.49)
A3(x，y)＝(11.64，-10.48)A4(x，y)＝(13.69，-13.69)圖27是這些計算結果的圖解。
正如從表格7和圖27中看出的，投影矢量A1到A4的特征是每個投影矢量A2和A4的方位角α相互之間間隔180°，這個方位角α近似地等于每層斜沉積膜的光軸的方位角。為了設計第二相位差補償層114，有可能改變下面這些參數斜沉積膜的數目，每層膜的厚度，光軸的方位角等等。通過估計這些例子和計算膜結構，可以發現，如上面所述，與第一相位差補償層12一起使用的第二相位差補償層114包括三層或更多的斜沉積膜，并且其中至少兩層都各自具有相互之間隔開180°的方位角。注意光軸的方位角能近似為斜沉積膜方向的方位角。另外，在這個實驗中，每層斜沉積膜S2、S4的方位角α的方向對應在光入射表面的偏振片103的透射軸103a的方向。
當實驗7的相位差補償器102如圖23所示被布置在偏振片103，104之間時，光遮蔽屬性如圖28所示。在圖中，雖然保持了視角依賴性，但總體上降低了從偏振片104的出射表面泄漏的光的亮度。用于比較的樣品的光遮蔽屬性如圖29所示。在這個比較樣品中，存在延遲為-220nm的第一相位差補償層12和包括單層斜沉積膜的第二相位差補償層114，其中沉積膜的沉積方位角為135°，延遲為413nm。至于比較樣品，知道的是，作為負C-板的第一相位差補償層和正O-板的第二相位差補償層的組合的相位差補償器，能改善在正交尼科耳配置下的這對偏振片的光遮蔽屬性。但是，可證實的是，實驗7的相位差補償器能有效地改善光遮蔽屬性。
在設計本發明的包括第一相位差補償層12和第二相位差補償層114的相位差補償器時，由于存在許多參數，例如，由第一相位差補償層12中每一層膜的雙折射和厚度確定的延遲、在第二相位差補償層114中的膜的數量、光軸的方位角(斜沉積的方位角)、第二相位差補償層114中每一層膜的雙折射和厚度，因而為了獲得優選的光遮蔽屬性，可存在大量的參數組合。但是，清楚的是，當第一相位差補償層12包括三個或更多的斜沉積膜，并且至少其中的兩層各自具有方位角相互之間隔開180°的光軸(斜沉積的方位角是180°)時，可有效地改善光遮蔽屬性。
如圖30所示，優選地，將相位差補償器102應用到液晶顯示器上。至于用于顯示圖像的液晶元件，TN液晶元件106被使用。本發明的相位差補償器102被插入在光入射側的偏振片103和TN液晶元件106之間。在光入射側的偏振片103和在光出射側的偏振片104為正交尼科耳配置，其中兩個偏振片的透射軸的方向以90°交叉，以便將該液晶顯示器用在常規的白色模式下。照明光134被偏振片103轉換成線性偏振光，并且穿過相位差補償器102、TN液晶元件106和偏振片104，而發散成為圖像光135。當TN液晶元件106處于暗狀態時，即使照明光134包括不平行于光軸105的流明量，也可防止泄漏光的產生，而且可以通過相位差補償器102的性能獲得良好的光遮蔽屬性和視角屬性。
在這個例子中，考慮到在TN液晶元件106內包含在這對透明襯底之間的液晶分子的雙折射，有必要控制相位差補償器102中的第一相位差補償層12的延遲值。也就是，除了補償來自斜入射進入偏振片103的光束的相位差之外，第一相位差補償層12還需要補償由TN液晶元件106內的液晶分子的雙折射產生的尋常光和異常光之間的相位差。相位差補償器的補償度能夠通過根據TN液晶元件106內的液晶單元的厚度控制第一相位差補償層12的厚度來進行控制。
如在圖31中所示，優選地，將相位差補償器102應用到離軸型液晶顯示器中，該離軸型液晶顯示器具有用于圖像顯示的反射型TN液晶元件136。在這個反射型TN液晶元件136中，液晶單元的背面是反射表面，并且入射光軸105a和出射光軸105b不是同心的。透射穿過偏振片103的照明光134作為線性偏振光穿過液晶單元。然后，入射光在反射表面上被反射而且再次穿過液晶單元從而形成發散的光。考慮到在常規的白色模式下的使用，液晶單元的厚度被確定成使得當反射型TN液晶元件136處于暗狀態時，入射光的偏振方向在光變成發散光的同時轉了90°。另外，在光入射側的偏振片103和在光出射側的偏振片104處于正交尼科耳配置下。
還是在離軸型液晶顯示器中，當反射型TN液晶元件136處于暗狀態時，利用相位差補償器102的性能可以避免來自偏振片104的泄漏光的產生而且獲得視角屬性。和在圖30中的例子相同的是，在這個例子中，考慮到反射型TN液晶元件136內的液晶分子的雙折射，有必要控制相位差補償器102中的第一相位差補償層12的延遲值。注意，當控制第一相位差補償層12的厚度時，有必要考慮在液晶單元中的光學路徑長度是反射型TN液晶元件136中液晶單元厚度的兩倍。
將本發明的第二個實施例的相位差補償器的參考波長設置在例如550nm以形成第一和第二相位差補償層時，該相位差補償器能被應用到全色直視型液晶顯示器中，這種全色直視型液晶顯示器具有作為顯示元件的TN液晶元件單板。還是在這種情況下，優選的是，提供具有不同膜結構的三種類型的相位差補償器，從而與包括在TN液晶元件中的每種色彩濾波器相對應。
另外，根據每種彩色光分量的波長改變相位差補償器的膜結構可被有效地應用到三片式液晶投影儀中，該投影儀包括三個對應于每種彩色光分量的TN液晶元件。三片式液晶投影儀的結構在圖32中被示意性地示出。
在圖32中說明的液晶投影儀的結構基本上和在圖17中說明的液晶投影儀相同，但是本發明的第二實施例中的相位差補償器167R、167G、167B被分別提供在液晶元件50R、50G、50B的光入射表面側。如上所述，相位差補償器167R、167G、167B中的每一個都包括第一相位差補償層和第二相位差補償層，分別用于補償液晶元件50R、50G、50B的每種顏色的相位差。另外，相位差補償器167R、167G、167B利用處于正交尼科耳配置下的偏振片66R、66G、66B和偏振片68R、68G、68B改善光遮蔽性能。
當本發明的第二個實施例中的相位差補償器被應用到三片式彩色液晶投影儀時，第一相位差補償層被設計成和第一個實施例中的相位差補償器相同。另外，在相位差補償器167R、167G、167B中每一個中的相位差補償層也被設計成具有對應于每個顏色通道的特定結構。第二相位差補償層具有與液晶分子相同的正延遲。相應地，優選的是，為了進行調整而增加第一相位差補償層總的膜厚度。
期望的是，通過利用其中的第一和第二相位差補償層按如上所述進行優化的相位差補償器167R、167G、167B，在屏幕70上的對比度可變成1000∶1或更高。另外，因為相位差補償器只由無機材料形成，所以沒有熱電阻或光電阻的問題。因此，本發明的相位差補償器能被有效地應用到例如長時間使用的家用背投式電視的各種產品中。
在第二個實施例中的相位差補償器，關于產生線性偏振光的起偏振器和根據光的偏振方向具有光遮蔽屬性的檢偏器，線格起偏器能夠和偏振片一樣地被使用。另外，按照與由多層沉積膜組成相同的方式，第一相位差補償層能由自短距(short pitch)膽甾型液晶產生的聚合物組成。也就是，公知的是將和膽甾型液晶具有相同結構的層用作負C-板，其中，該膽甾型液晶中螺旋狀液晶分子的間距是光波長的1/10和1/5之間，并且它的螺旋軸與襯底垂直。例如，按照如下所述形成該層。首先，對襯底的表面進行加工以使其具有平行于液晶分子的長軸的取向。接下來，具有可聚合分子結構的膽甾型液晶被涂敷在襯底上以形成上述的膽甾型結構。然后，將光聚合過程或類似的過程應用到膽甾型液晶上從而消除流質。
另外，可將正C-板能應用到第一相位差補償層。在這種情況下，首先，對襯底的表面進行加工使其具有一個垂直于液晶分子的長軸的取向。接下來，具有可聚合分子結構的桿狀液晶單體被涂敷到襯底上以形成單疇取向膜。然后，將光聚合過程或類似的過程應用到單疇取向膜上從而消除流質。
和第一個實施例中的相位差補償器相同，關于用于形成第二個實施例中的相位差補償器的襯底，可使用一些能和玻璃襯底一樣使用的透明的無機材料。優選材料是具有高熱導性的藍寶石襯底和石英襯底，以便應用到液晶投影儀中。另外，有可能的是第一相位差補償層和第二相位差補償層被分別形成在單獨的透明襯底上。透鏡、棱鏡、一些種類的濾波器，和在光學系統中的液晶元件的襯底都可用作用于相位差補償層的透明襯底。
工業適用性本發明是優選應用到利用偏振光的器件中，特別是與液晶相關的器件中。
權利要求
1.一種和TN液晶單元結合使用的相位差補償器，用于補償穿過所述TN液晶單元中液晶層的光與角度相關的相位差，所述相位差由所述液晶層的雙折射引起，所述相位差補償器包括第一相位差補償層，包括多層膜，其中所述多層膜中的每一層都是由無機材料形成的形式雙折射體，用于補償由液晶層中垂直取向的液晶分子引起的相位差；以及第二相位差補償層，包括多層膜，其中所述多層膜中的每一層都是由無機材料形成的形式雙折射體，用于補償由液晶層中混合取向的液晶分子引起的相位差。
2.如權利要求1所述的相位差補償器，其中所述第一和第二相位差補償層中至少一層包括多層膜，且該多層膜中的每一層膜都是由真空沉積方法形成的。
3.如權利要求1所述的相位差補償器，其中所述第二相位差補償層包括多種堆疊的斜沉積膜，所述斜沉積膜朝向沉積表面的沉積方向的方位角和極角中至少之一是不同的。
4.如權利要求1中所述的相位差補償器，其中所述第二相位差補償層包括三層或更多層堆疊的斜沉積膜。
5.如權利要求1中所述的相位差補償器，其中所述第二相位差補償層包括多個堆疊的斜沉積膜，并且當每個斜沉積膜的沉積方向的方位角被確定為與由所述TN液晶單元的取向膜給定的所述液晶分子的方位角不同時，根據每層斜沉積膜的所述方位角、極角和延遲確定每個光軸矢量，并且所述光軸矢量的合成矢量A被正交地投影到沉積表面上，其X和Y坐標值(Ax，Ay)滿足下列公式-200nm≤Ax≤200nm以及-500nm≤Ay≤0nm。
6.如權利要求1所述的相位差補償器，所述第一相位差補償層的延遲dΔn和所述TN液晶單元的液晶層的雙折射與該液晶層的厚度d的乘積(dΔn)LC之間的關系如下-2×(dΔn)LC≤(dΔn)≤-0.5×(dΔn)LC。
7.如權利要求1所述的相位差補償器，其中所述第一相位差補償層由交替層疊的兩種具有不同折射率的多個沉積膜組成，并且所述多個沉積膜中的每一層的光學厚度為參考波長的1/100到1/5。
8.如權利要求1所述的相位差補償器，還包括設置在所述相位差補償器的光入射表面側和/或光出射表面側上的抗反射層。
9.一種液晶顯示器，該液晶顯示器包括TN液晶單元和如權利要求1到8中任意一項所述的相位差補償器，所述相位差補償器被布置在所述TN液晶單元的光入射表面側和/或光出射表面側。
10.一種液晶投影儀，包括TN液晶單元、如權利要求1到8中任意一項所述的相位差補償器，以及用于對所述TN液晶單元調制的光進行投影的投影透鏡，所述相位差補償器被布置在所述TN液晶單元的光入射表面側和/或光出射側。
11.如權利要求10所述的液晶投影儀，包括三個所述TN液晶單元，其中每一個TN液晶顯示單元顯示三個彩色光分量中每一個的圖像；以及三個所述相位差補償器，其中一個所述相位差補償器對應于一個所述TN液晶單元，所述三個相位差補償器至少包括兩種所述相位差補償器，而且這兩種相位差補償器中的每一種根據每種所述彩色光分量的參考波長具有彼此不同的延遲。
12.一種在正交尼科耳配置中的偏振元件對之間使用的相位差補償器，包括透明襯底，該透明襯底和垂直于所述偏振元件對的光軸相垂直；第一相位差補償層，由所述透明襯底支撐，該第一相位差補償層的光軸與所述透明襯底相垂直；以及第二相位差補償層，包括三層或更多層堆疊膜，其中每層堆疊膜都具有傾斜于所述透明襯底法線的光軸，正交投影到所述透明襯底上的、所述堆疊膜中兩個堆疊膜的所述光軸方向相互之間隔開大約180°。
13.如權利要求12所述的相位差補償器，其中所述第一和第二相位差補償層由無機材料形成。
14.如權利要求13所述的相位差補償器，其中所述第二相位差補償層中的所述堆疊膜是斜沉積膜。
15.如權利要求13所述的相位差補償器，其中所述第一相位差補償層是由交替層疊的兩種具有不同折射率的多層沉積膜組成，并且所述多層沉積膜中每一層的光學厚度為參考波長的1/100到1/5。
16.如權利要求13所述的相位差補償器，正交投影到所述透明襯底上的、所述第二相位差補償層中所述層疊膜中之一的光軸方向，與在所述相位差補償器的光入射側的所述偏振元件的透射軸的方向相同。
17.如權利要求12所述的相位差補償器，還包括設置在所述相位差補償器的光入射表面側和/或光出射表面側的抗反射層。
18.一種光調制系統，包括如權利要求16或17所述的相位差補償器和設置在所述相位差補償器的光出射側的液晶單元。
19.一種液晶顯示器，包括透射型液晶單元和如權利要求16或17所述的相位差補償器，所述液晶單元被設置在所述相位差補償器的光出射側。
20.一種液晶投影儀，包括透射類型液晶單元、如權利要求16或17所述的相位差補償器，以及用于對所述液晶單元調制的光進行投影的投影透鏡，其中所述液晶單元被布置在所述相位差補償器的光出射側。
21.一種液晶投影儀，包括反射型液晶單元、如權利要求16或17所述的相位差補償器，以及用于對所述液晶單元調制的光進行投影的離軸型投影透鏡，其中所述液晶單元被布置在所述相位差補償器的光出射側。
全文摘要
在透明玻璃襯底(10)的上提供由無機材料形成的第一相位差補償層(12)和第二相位差補償層(14)。第一相位差補償層(12)包括由堆疊的兩種沉積膜，這兩種沉積膜的厚度比參考波長薄很多，且一個具有高折射率，而另一個具有低折射率，從而形成負C－板。第二相位差補償層(14)包括至少兩個斜沉積膜，形成正的O－板。第一相位差補償層(12)補償在液晶層中來自垂直取向的液晶分子的相位差，而第二相位差補償層(14)補償在液晶層中來自混合取向的液晶分子的相位差。
文檔編號G02B5/30GK101080655SQ20058004312
公開日2007年11月28日 申請日期2005年12月14日 優先權日2004年12月15日
發明者中川謙一, 藤井隆滿 申請人:富士膠片株式會社