专利名称：具有反射型混合模式扭曲向列液晶板的投影器成像设备的制作方法
技术领域：
顺序制彩色(color sequential)的液晶(LC)投影是可提供高清晰度(HD)电视的一项入门技术(enabling technology)。用于实现这种应用所要求的高级性能的一个元件是高速液晶(LC)光阀，它能够支持避免顺序制彩色人为假像所必需的高的帧速率。此外，液晶光阀必须具有极高的对比度系数以便与其它技术如CRT或DLP竞争。
背景技术：
当前正在应用的扭曲液晶模式需要外部补偿，例如光延迟器。为了进行补偿操作，液晶显示器必须是均匀的并且随时间和变化的环境条件是稳定的。这已经证明是一项相当困难的任务。
在顺序制彩色的液晶投影系统和其它的液晶投影系统中，改进均匀性、减小或消除对于补偿的要求、改进响应速度、和减小制造成本都会是有益的。提供对于单元间隙变化十分不敏感的设计也是十分有益的，这样会使主要的产生问题减至最小或者完全消除。
发明内容
按照一个举例的实施例，光学设备包括一个反射式液晶(LC)板和一个光学器件。液晶板包括扭曲向列(TN)液晶器件，其中液晶材料的一种模式包括一个90°的扭曲(90TN0)。
按照另一个举例的实施例，顺序制彩色的光阀包括扭曲向列液晶器件，其中的一种模式包括一个90°的扭曲(90TN0)。
举例的实施例的液晶器件有利地展示出至少约为1000∶1的对比度。而且，举例的实施例的液晶器件展示出光学系统的不同颜色的传输特性之间的最小发散性。进而，与公知的液晶器件相比，举例的实施例的液晶器件在暗和亮这两个状态都能提供较高的对比度和优越的均匀性。
从下面结合附图的详细描述中，可以最好地理解本发明。需要强调的是，各个特征不一定是按照比例画出的。事实上，为使描述清晰，尺寸是可以任意增加或减小的。
图1是按照举例实施例的一个液晶板的原理图；图2表示按照举例实施例的一个顺序制彩色的投影系统；图3A和3B是按照举例实施例的模拟反射率相对于加到3色的90TN0液晶板上的电压的曲线表示，其中分别采用线性刻度和对数刻度；图4是曲线表示，表示按照举例实施例的90TN0液晶板(绿状态亮)的最大亮度和对比度；图5表示45TN0相对于归一化液晶延迟2πΔnd/λ(水平轴)和箔片(foil)延迟(垂直轴)在断开状态的反射率；图6表示一个已知的45TN0器件的一个举例实施例的90TN0反射率，其中表示具有或者没有补偿箔片随归一化液晶延迟(2πΔnd/λ)的变化；图7是举例实施例的已知的1/4波长板、90TN0液晶板、和已知的45TN0液晶板的反射率随在饱和彩色情况下的液晶延迟的变化，其中使用TL-216作为液晶材料；图8A和8B表示举例实施例的90TN0液晶板和已知的45TN0液晶板的反射率(静态的，即没有黑色预写入(black pre-write))相对于灰度水平的曲线，后一种情况包括24nm的光学延迟器；图9表示用于3种颜色的举例实施例的90TN0液晶的反射率(动态的，即，具有7行的黑色预写入)相对于灰度水平的曲线图。
具体实施例方式
在下面的详细描述中，为了进行说明而不是为了限制，提出了公开特定细节的举例实施例，从而可以彻底理解本发明。然而，对于从本发明获益的本领域的普通技术人员显然可以看出，本发明显然可以在偏离这里公开的特定细节的另外的实施例中实施。而且，可以省去对众所周知的设备、方法、和材料的描述，这样就能不妨碍对本发明的描述。
简单地说，举例实施例包括一个液晶板(器件)，所说的液晶板具有用在顺序制彩色的环境中的反射式90度扭曲向列(90TN0)模式，并且如图所示，偏振的入射光平行于液晶取向方向之一，从而可以产生动态亮状态效率，当与另外的模式比较的时候，这个效率是可以接受的，并且所有其它的特性也都优于公知的基于液晶材料的器件。
图1a是横向穿过按照举例实施例的液晶板100的90TN0液晶材料101的一部分的光的原理图，其中没有向液晶材料施加任何电场(断开状态)。在液晶板100的前表面上设置一个玻璃板102，在后表面上设置反射表面103。在液晶板100上入射具有偏振矢量104的线性偏振光，线性偏振光的取向平行于液晶材料101的取向矢量105。
90TN0液晶材料101的光学各向异性性质导致光的偏振状态的改变，可从入射的线性p状态104变为各种椭圆偏振状态106。这种各向异性来源于液晶材料104的取向矢量的转动，如由取向矢量107所示。在从反射表面103反射时，光的偏振状态继续改变，从一个椭圆状态变为另一个状态(如由椭圆状态108所示的)，一直到从前表面102出射时为止，这个偏振状态是相对于入射的线性偏振状态104发生了垂直转动的线性状态108。
图1b是横向穿过按照举例实施例的液晶板100的90TN0液晶材料101的一部分的光的原理图，其中加有电场。这称之为板的“接通”状态。如图所示，偏振光104入射在液晶板100上，并且平行于液晶材料的取向矢量110取向。光112横向穿过材料101，偏振矢量113仍旧保持在它的入射状态。在反射和沿反射方向穿过材料时，反射光114的偏振状态平行于入射的偏振光。如可以认识到的，在光阀应用中，可以使用液晶材料101的接通和断开状态。
在图2中表示的是按照举例实施例的一个顺序制彩色的投影系统200。一个多色(如RGB)光源201向一个偏振分束器(PBS)204或者类似器件输出光202。光202的至少一部分作为光205由偏振分束器204重新引向液晶板206，液晶板206包括合适的90TN0液晶材料。显然，借助于举例实施例的90TN0液晶材料的特性，在偏振分束器204和液晶板206之间的光路中没有任何延迟器，如偏振器。如图所示的横向穿过液晶板两次的光作为光207被反射，然后再一次入射到偏振分束器204上。根据加到液晶板上的电压，可以改变光205的偏振，并且这个光重新引向光源(如在203所示)，或者如在209所示离开这个系统(即，黑状态发光)，或者可以发送到系统光学装置208(亮状态发光)。如本领域的普通技术人员容易理解的，系统200可以包括各种变化和改进，但仍旧保持与所示的系统一致。
图3A和3B是模拟的反射率相对于加到3颜色90TN0液晶板上的电压的曲线表示，分别用线性刻度和对数刻度表示。对于90TN0液晶板，选择1000nm的单元间隙。对于按照举例实施例的液晶板，红光301、蓝光302、和绿光303的对比度系数分别是3480、2790、1230。
可以看出，针对亮状态，对于90TN0，亮度-电压(BV)曲线相对于单元间隙变化的灵敏度小于对于其它LC模式的灵敏度。在举例实施例的90TN0液晶板的暗状态，在暗状态的BV曲线是极其平直的，这将使暗状态的颜色非常均匀。
图4是表示按照举例实施例的90TN0液晶板(绿状态发光)的最大亮度和对比度的曲线表示。为了找到90TN0的最佳单元间隙，可以扫描BV曲线，对于每个BV曲线确定最大和最小亮度。选择用于产生BV曲线(如在图3A和3B中所提供的曲线)的单元间隙，使其略微大于绿光的最佳值。这是因为，对于红色进行优化比对于绿色进行优化更有用，因为在这个举例实施例中灯是红色有缺陷。
要说明的是，与类似的90TN20液晶板相比，90TN0液晶板的亮度低约10％，但对比度却高出约为4倍。与典型的45TN0液晶板的比较不能直接进行，因为45TN0液晶板使用了延迟器。
对比度是一种电-光(EO)效应，在液晶板中利用除90TN0液晶板以外的模式(如90TN20)的界面反射，将减小对比度，而90TN0与这一现象无关。界面反射取决于AR和IMITO涂层的特定设计。亮度也是一种电-光效应，下面对此还要进行更加详细地讨论。
偏振转换的机制也是不同的对于45TN0液晶板情况的延迟、在90TN20情况的各向异性反射。在最简单的情况下，当没有任何来自IMITO的反射并且只有来自PI/液晶板的界面的反射的时候，可以估算偏振已经转换的(垂直于入射光的偏振)的反射光的强度。如果将寻常波和非寻常波的的幅度反射系数分别记为Ro和Re，则距液晶光轴有20°偏振的光的强度反射系数可由下式表示r⊥=(R02+Re2)sin2(20-arctg(Ro/Re))]]>这里，no＝1.52、ne＝1.73、np1＝1.62(这在界面导致最小的反射)、r⊥＝0.00043。在这种情况下，90TN20液晶板的对比度系数就不可能大于2300∶1。虽然这个数值看起来很大，但r⊥将90TN20的实际对比度减小到这些投影系统不可接受的数值。对于r⊥＝0.00105的90TN45，情况亦是如此。因此，不可能将90TN20认为是45TN0的有前途的替代物。下面，对于45TN0和90TN0进行比较。
虽然不同的反射影响45TN0液晶板的对比度，但反射的积累效应也是十分显著的，所得到的已知的45TN0液晶板的对比度明显低于举例实施例的90TN0液晶板的对比度。在下面的描述中，考虑单色的准直光和非驱动状态。
图5表示45TN0液晶板在断开状态的反射率相对于使用偏振传输矩阵形式计算的归一化液晶延迟2πΔnd/λ(水平轴)和箔片延迟(垂直轴)的关系。在图5中，所示的45TN0在断开状态的亮度是单元间隙和补偿箔片的延迟的函数。对于λ＝550nm，图4A中的最大亮度对应于归一化液晶延迟值2.64和延迟器的延迟值-0.26。
从图5可以看出，延迟值越大，45TN0材料的反射率越大，在大于3的归一化单元延迟处达到最大值(接近1)。然而，为了达到这个最大的亮度，需要一个很大延迟补偿箔片，这将明显降低对比度。为了使对比度最大，补偿箔片的延迟要保持在液晶层的延迟的10％，并且还要牺牲一点亮度(百分之几)。
图6表示90TN0(601)的反射率以及45TN0在具有(601)和不具有(603)补偿箔片的情况下的反射率随归一化液晶延迟(2πΔnd/λ)的变化。假定补偿箔片的延迟是液晶延迟的10％。从图6可以找到两种电-光效应的最大亮度。在静态情况下，45TN0液晶板的最大亮度约为94％，而举例实施例的90TN0液晶板的最大亮度约为68％。
为了产生标准颜色并且为了消除颜色串扰，必须在每个颜色之前先将液晶板驱动至黑色状态(黑色预先写入)，在此之后再放松到期望的灰灰度水平。向亮状态的放松是指数形式的，它的特征时间正比于单元间隙d的平方，这个特征时间是由最大亮度所要求的延迟γ确定的τ∝d2和γ＝2πΔnd/λ通过如以上所述的静态反射率和向亮状态的指数放松的积分η的乘积(二者都是液晶延迟的函数)，可以近似得到动态情况下的电-光效应的光效率
η(γ):=1T·∫0T(1-exp(-tτ(γ)))dt]]>在这里，T是每种颜色的曝光时间(T＝1/180/3/1.05秒)。对于TL-216(1000nm的单元间隙)使用测量的放松时间τ＝0.51毫秒，并且利用上边的公式，可以找到动态情况下(饱和彩色)η和反射率。
图7是1/4波长板701、90TN0液晶板702、45TN0液晶板703的反射率随标准颜色情况下使用TL-216作为液晶材料时的液晶延迟而变化的曲线表示。可以看出，一旦接通黑色预先写入，则1/4波长板(ECB模式)的反射率只有理想情况的87％。与1/4波长板相比，45TN0和90TN0的效率进一步减小，因为它们的单元间隙较大(即，速度较低)。单元间隙的差别使后两者即45TN0和90TN0相距较近。结果，90TN0的动态效率只比45TN0的动态效率低14％。
已经评估了90TN0单元的电-光性能，并且与45TN0板的电-光性能进行了比较。已经发现，90TN0的性能几乎完全符合计算机模拟的结果，并且与45TN0(只通过延迟器的光没有任何偏振变换)相比，90TN0具有明显高的对比度，对于绿色而言对比度超过了2000∶1。90TN0的静态亮度(即，没有进行黑色预先写入)低于模拟的预期值(配备24nm的补偿箔片的45TN0的预期值为62％)。
在用于评估后板的平面中，以相对于对电极成90°(而不是45°)的角度进行磨擦。按照所说的数据，在这个产物中的平均单元间隙是1.35微米。将具有0.15％ZLI-811的MLC-6261(而不是TL-261)填充到这个单元中以便对于这个单元间隙的90TN0影响提供正确的延迟。在表2中可以看见这些液晶的参数。
液晶 TL-216 MLC-6261K11 14.4K22 9K33 19.6平行的介电常数9.7 12.1垂直的介电常数4.2 4.1no1.526746 1.4991ne1.743498 1.6393流动粘度 36 38清洁温度 82 95表2图8A和8B表示的是90TN0液晶板(801)和45TN0液晶板(802)的反射率(静态的，即没有黑色预写入)相对于灰度水平的曲线，在这里后一个液晶板包括一个24nm的延迟器。反射率相对于45TN0液晶板的最大值进行了归一化。在具有红绿蓝滤色片的单个颜色投影器中获得BV曲线。在图8A和8B中分别提供利用绿和蓝滤色片所得的结果，其中还有刚好在测量90TN0后的类似条件下取得的典型45TN0单元的BV曲线。
模拟结果表明在静态情况下，在零电压下45TN0的最大亮度(偏振转换效率)约为94％(对于TL-216，这要求d＝1100nm)。如果使用电偏压使亮度最大，可以进一步地增加亮度。对于90TN0，模拟结果表明最大亮度约为68％。对于TL-216，这要求950nm单元间隙，而对于MLC-6261，1330nm是绿光的最佳值。从8A和8B可以看到，90TN0相对于45TN0的实际绿光亮度接近绿光的60％而不是70％。90TN0(相对于45TN0)的相对亮度对于蓝光来说只超出了70％，这可以解释为在45TN0单元的情况下单元间隙太大的缘故。在一般情况下，90TN0的亮度较低(与模拟结果比较)的原因是不清楚的，因此需要开发实验方法，就地监视单元间隙以及利用液晶的可变双折射的更多的实验。
与模拟结果相比，实验数据的另一个偏差是90TN0的BV曲线中没有反射率峰值。模拟结果预言了蓝光的这一峰值，但是这个峰值的高度与图8B中的实验观察结果相比还是小于45TN0的情况的。显然，没有峰值不可能归因于单元间隙很小、或者液晶的双折射(否则，90TN0的蓝光效率应该大得多)。
图9表示90TN0液晶对于3种颜色的反射率(动态的，即，具有7线黑色预写入)相对于灰度水平的曲线。对比度(红绿蓝)是1200、2200、1150。当黑色预写入接通时(图9)，90TN0的BV曲线的阈值向上移动约25个灰度水平(而对于45TN0，在类似的设定值下只观察到5个灰度水平的移动)，这证明MLC-6261的响应与在相同温度下的TL-216的响应相比是较慢的。7线的预写入不足以改变单元的总亮度(通过实验确定的)，但可以改变BV曲线的形状。应该相信，TL-216的粘度随温度的下降是很迅速的，并且，尽管在室温下TL-216和MLC-6261应该提供类似的响应，然而，在温度升高时，情况有极大的不同，尤其是因为MLC-6261具有较高的清洁温度。液晶参数随温度变化使单元参数的优化变得很复杂，需要有额外的实验工作要作。
通过对于典型实施例的讨论详细描述了举例实施例，显然，对于已从本发明的公开内容获益的本领域的普通技术人员来说，本发明的改进是显而易见的。这样一些改进和变化都包括在所附的权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种光学设备，包括一个反射式液晶(LC)板，所述反射式液晶板包括扭曲向列(TN)液晶材料，其中所说材料的一种模式包括90度扭曲(90TN0)；和至少一个光学器件。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中光学设备是光学投影系统。
3.根据权利要求2所述的光学设备，其中光学投影系统是顺序制彩色的液晶投影系统。
4.根据权利要求1所述的光学设备，其中光学设备在与液晶板的光学连接中不包括任何光学补偿器。
5.根据权利要求4所述的光学设备，其中光学补偿器包括光学延迟器。
6.根据权利要求5所述的光学设备，其中光学延迟器是偏振器。
7.根据权利要求3所述的光学设备，其中顺序制彩色的液晶投影系统包括偏振分束器，适合于投射红、绿、和蓝光的光源，以及投影光学设备。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中液晶板提供的对比度至少约为1000∶1。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中液晶板提供的对比度系数对于红光约为1200∶1，对于绿光约为2200∶1，对于蓝光约为1150∶1。
10.一种反射式液晶(LC)板，包括一种扭曲向列(TN)液晶材料，其中液晶器件的模式是90度扭曲的(90TN0)。
11.根据权利要求10所述的反射式液晶板，其中液晶板提供的对比度至少约为1000∶1。
12.根据权利要求10所述的反射式液晶板，其中扭曲向列液晶板提供的对比度系数对于红光约为1200∶1，对于绿光约为2200∶1，对于蓝光约为1150∶1。
13.根据权利要求10所述的反射式液晶板，其中液晶材料的厚度范围约为1000nm到约为1350nm。
14.一种从光源向投影系统选择性地发送光的方法，所说的方法包括提供一个反射式液晶(LC)板，反射式液晶(LC)板包括扭曲向列(TN)液晶材料，其中的一个模式包括90度扭曲(90TN0)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中没有提供光学补偿器。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所说的方法包括向液晶材料提供接通状态电场和断开状态电场，以便选择性地改变液晶材料的分子取向。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在液晶板的第一表面上入射的其偏振平行于分子取向的光按照垂直于断开状态下的入射光的偏振并且按照平行于断开状态下的入射光的偏振出射。
18.根据权利要求17所述的方法，其中入射光是线性偏振的。
19.根据权利要求17所述的方法，其中从液晶板出射的光是线性偏振的。
全文摘要
一种光学设备，包括一个反射式液晶(LC)板和一个光学器件。液晶板包括扭曲向列(TN)液晶材料，其中液晶材料的一种模式包括90度扭曲(90TN0)。顺序制彩色的光阀可以加入具有90度扭曲(90TN0)的液晶材料。液晶板有利地展示对比度至少约为1000∶1。而且，液晶板在光学系统的不同颜色的传输特性之间要展示出最小的发散性。此外，与已知的液晶器件相比，液晶板在暗和亮状态都能提供较高的对比度和优越的均匀性。最后，使用这种液晶板，可以使基于液晶的系统中的延迟器的使用减至最小或者完全消除。
文档编号G02F1/139GK1688922SQ03822289
公开日2005年10月26日 申请日期2003年9月16日 优先权日2002年9月19日
发明者P·J·詹斯森, S·亚科文科 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司