当前广泛使用进行标准白色(Normally White)模式的显示操作 的TN LCD。
在标准白色模式LCD中，每个像素不被其相关联像素电极覆盖的 部分(例如，总线和像素电极之间的间隙)，总不提供电压并总透光。 该光线在白色显示状态不会引起问题，但是在黑色显示状态会成为不 想要的泄漏光，从而降低显示屏的反差比。考虑到这一潜在问题，前 基板通常包括一个不透明层来减小这种光泄漏。
为了增加把一个LCD的两个基板结合在一起的可允许容限，这样 的不透明层的面积通常设置的比光泄漏区域的总面积更大，由此显著 降低了象素的孔径比。因此，这样的不透明层构成实现具有足够高孔 径比的LCD的主要的障碍。
因此，为了克服这一问题，已经提出了用于执行不施加电压的黑 色显示操作的标准黑色模式LCD。标准黑色模式TN LCD以液晶分子取 向为液晶层厚度方向上的扭曲图案执行黑色显示操作。
然而在标准黑色模式TN LCD中，它的液晶层的折射率各向异性通 常具有波长依赖性(或波长色散特性)，从而引起有色的黑色显示的 另一个问题。
下文将说明该问题是如何发生在液晶层中的，此时控制液晶层的 延迟Δn·d从而设置它的第一最小情况为550nm。如果具有550nm波长 的线性偏振光线允许入射到该黑色显示状态的液晶层上(即，液晶分 子取向为90度扭曲角)，则入射的线性偏振光线在离开液晶层时，将 具有旋转90度的偏振方向。那就是说，出射的线性偏振光线的偏振方 向将垂直于入射的线性偏振光线的偏振方向。但是，由于液晶层的折 射率各向异性具有波长色散特性，入射的任意其他波长的线性偏振光 线在离开液晶层时将是椭圆偏振光线。而且，这样的椭圆偏振光线的 长轴方向与具有550nm波长的出射线性偏振光线的偏振方向不在一条 线上。长轴方向这种失准对扭曲取向的液晶层是独特的，并且在任何 非扭曲均匀取向液晶层中都观察不到。
以这种方式，在标准黑模式TN LCD中，已经穿过其黑色显示状态 的液晶层的光不仅包括想要的线性偏振光，还包括其他成分。550nm 波长的线性偏振光线由靠近LCD的观众的偏振器阻挡，而其他波长的 光线传输过同一偏振器到一定程度。结果，黑色显示在某种程度上是 有色的，并且反差比降低。
为了克服这一问题，Sergan和其他三个人在1998年3月的Jpn.J. Appli.Phys.，Vol.37，889-894页的“Achromatic Normally Black Twisted Nematic Device with Wide Viewing Angle Using Negative-In-Plane Compensation Films”中提出了用多个相位膜做 彩色补偿的方法。用扭曲相位板的彩色补偿方法也在日本公开出版 NO.2001-188232中提出，其中扭曲相位板的慢轴在厚度方向上扭曲， 并具有与液晶层的相反的波长依赖性。
但是，前一技术使用多个相位薄膜，因此增加了生产成本和显示 装置的厚度。而根据后一技术，扭曲相位板的生产率太低以至于不能 在工业上使用，因此也增加生产成本。

为了克服上述问题，本发明的优选实施例提供一种标准黑色模式 扭曲向列液晶显示装置，该装置能够在进行黑色显示操作时将不想要 的颜色最小化并将反差比大大增加，并能够以低成本生产，并且本发 明还提供多层相位板，它能够有效地用于这种液晶显示装置。
根据本发明的优选实施例的扭曲向列液晶显示装置优选在标准黑 色模式下进行显示操作。液晶显示装置优选包括一液晶单元和两个偏 振器。液晶单元优选包括两个基板和夹在两个基板之间的液晶层。两 个偏振器最好互相面对，液晶单元插入它们之间。液晶显示装置优选 还包括第一光学补偿器和第二光学补偿器。第一光学补偿器优选提供 在两个偏振器之一和液晶单元之间，从而补偿通过黑色显示状态液晶 层的偏振光的旋转角波长依赖性。第二光学补偿器优选提供在第一光 学补偿器和该偏振器之间，从而补偿通过黑色显示状态的液晶层的偏 振光的椭圆率波长依赖性。
在本发明的一个优选实施例中，如果偏振光通过黑色显示状态的 液晶层，第一光学补偿器优选具有几乎不改变特定波长的线性偏振光 线的偏振方向，但将具有比该特定波长更短或更长的波长的椭圆偏振 光线的椭圆长轴方向与线性偏振光线的偏振方向基本对准的功能。
在该特定优选实施例中，如果偏振光通过黑色显示状态的液晶 层，第二光学补偿器优选具有使具有特定波长的线性偏振光线象原来 一样地通过，但把具有比该特定波长更短或更长的波长的椭圆偏振光 线改变为基本上线性的偏振光线的功能。
根据本发明的另一个优选实施例的扭曲向列液晶显示装置优选进 行标准黑色模式的显示操作。液晶显示装置优选包括一液晶单元和两 个偏振器。液晶单元优选包括两个基板和夹在两个基板之间的液晶 层。两个偏振器优选互相面对，液晶单元插入它们之间。液晶显示装 置优选还包括第一光学补偿器和第二光学补偿器。第一光学补偿器优 选提供在两个偏振器之一和液晶单元之间，第二光学补偿器优选提供 在第一光学补偿器和该偏振器之间。当偏振光通过黑色显示状态的液 晶层时，第一光学补偿器优选具有几乎不改变特定波长的线性偏振光 线的偏振方向，但将具有比该特定波长更短或更长的波长的椭圆偏振 光线的椭圆长轴方向与线性偏振光线的偏振方向基本对准的功能，而 第二光学补偿器优选具有使具有该特定波长的线性偏振光通过，但把 具有比该特定波长更短或更长的波长的椭圆偏振光线改变为基本上线 性的偏振光线的功能。
在本发明的一个优选实施例中，第一光学补偿器优选展示延迟， 并优选在平行于液晶层定义的平面内有慢轴。第一光学补偿器的慢轴 和平面内延迟波长色散特性，根据通过黑色显示状态的液晶层的偏振 光的旋转角波长依赖性优选调整到预定值，从而允许第一光学补偿器 执行功能。
在本发明的一个优选实施例中，第二光学补偿器优选展示延迟， 并优选在平行于液晶层定义的平面内有慢轴。第二光学补偿器的慢轴 和平面内延迟波长色散特性，根据通过黑色显示状态的液晶层的偏振 光的椭圆率波长依赖性优选调整到预定值，从而允许第二光学补偿器 执行功能。
在再一个优选实施例中，该特定波长优选在450nm到600nm的范 围内，在500nm到600nm的范围内更好。
在再另一个优选实施例中，液晶层优选具有黑色显示状态中390nm 到550nm的前延迟Δn·d，在420nm到520nm更好，在440nm到480nm 特别好。
在再另一优选实施例中，第一光学补偿器优选展示延迟，并优选 在平行于液晶层定义的平面内有慢轴。第一光学补偿器优选具有75nm 到210nm的平面内延迟Re1。第一光学补偿器的慢轴优选确定关于黑色 显示状态中液晶分子的取向方向有85度到95度的角。液晶分子优选 包括在液晶层中并位于两个基板中更接近于第一光学补偿器的那个附 近。第一光学补偿器更优选具有105nm到175nm的平面内延迟Re1。第 一光学补偿器的慢轴更优选确定对于黑色显示状态的液晶分子的取向 方向有86度到94度角，更优选确定接近90度的角。
在再另一个优选实施例中，第二光学补偿器优选展示延迟，并且 优选在平行于液晶层定义的平面内有慢轴。第二光学补偿器的平面内 延迟Re2和液晶层的前延迟Δn·d优选满足不等式0.44·(Δn·d)+50≤ Re2≤0.44·(Δn·d)+80。第二光学补偿器的慢轴优选确定关于黑色显 示状态中的液晶分子的旋转方向有42度到48度的角。液晶分子优选 包含在液晶层中并位于两个基板中更接近于第一光学补偿器的那个附 近。第二光学补偿器的平面内延迟Re2和液晶层的前延迟Δn·d更优选满 足不等式0.44·(Δn·d)+55≤Re2≤0.44·(Δn·d)+75更好。第二 光学补偿器的慢轴更优选确定关于黑色显示状态中的液晶分子的取向 方向有43度到47度的角，特别优选确定近似45度角。
根据本发明的再另一个优选实施例的扭曲向列液晶显示装置优选 在标准黑色模式下实施显示操作。液晶显示装置优选包括液晶单元和 两个偏振器。液晶单元优选包括两个基板，夹在两个基板之间的液晶 层，和提供在两个基板上面对液晶层的两个对准层。两个偏振器优选 互相面对，液晶单元插入它们之间。液晶显示装置优选还包括分别在 两个偏振器之一和液晶单元之间的第一光学补偿器，和在第一光学补 偿器和那个偏振器之间的第二光学补偿器。液晶层优选有黑色显示状 态的390nm到550nm的前延迟Δn·d。第一和第二光学补偿器中的每个 优选展示延迟，并优选在平行于液晶层定义的平面内有慢轴。第一光 学补偿器优选具有75nm到210nm的平面内延迟Re1，并且第一光学补 偿器的慢轴优选确定关于黑色显示状态中液晶分子的取向方向有85度 到95度的角。液晶分子优选包括在液晶层内并位于两个基板中更接近 于第一光学补偿器的那个附近。第二光学补偿器的平面内延迟Re2和液 晶层的前延迟Δn·d优选满足不等式0.44·(Δn·d)+50≤Re2≤0.44· (Δn·d)+80，并且第二光学补偿器的慢轴优选确定关于黑色显示状 态中的液晶分子的取向方向有42度到48度的角。
在本发明的一个优选实施例中，第一和第二光学补偿器优选比液 晶单元更接近观众。
在另一个优选实施例中，第一和第二光学补偿器优选比液晶单元 更远离观众。
在仍然另一个优选实施例中，第一光学补偿器优选是具有单轴光 学各向异性的相位膜。
在仍然另一个优选实施例中，第二光学补偿器优选是具有单轴光 学各向异性的相位膜。
在再另一个优选实施例中，其他偏振器的透射轴优选基本上平行 或基本上垂直于黑色显示状态中液晶分子的旋转方向。液晶分子优选 包括在液晶层中，并且优选位于接近于第一光学补偿器的基板附近。
在再另一个优选实施例中，液晶层优选具有85度到95度的扭曲 角。
一种根据本发明的优选实施例的具有多层结构的多层相位板包括 第一层和第二层。第一和第二层优选都在平行于该层定义的平面内有 慢轴并优选展示延迟。第一层优选具有75nm到210nm的平面内延迟。 第二层优选具有220nm到320nm的平面内延迟。第二层的慢轴优选确 定关于第一层的慢轴有42度到48度的角。
在本发明的一个优选实施例中，第二层的慢轴优选确定关于第一 层的慢轴有近似45的角。
在另一个优选实施例中，多层相位板优选用在实施标准黑色模式 显示操作的扭曲向列液晶显示装置中。
通过下文参照附图进行的本发明的优选实施例的详细说明，本发 明的其他特征、元件、方法、步骤、特性和优点将更明显。

图1是示意性说明根据本发明的优选实施例的LCD 100的横截面 图。
图2示出了一个Poincaré球体。
图3A和3B示出了通过液晶层的光线的偏振状态。
图4是表示由聚碳酸酯制成的相位膜的平面内延迟和由聚乙烯醇 制成的相位膜的平面内延迟的波长色散特性。
图5A和5B示出了通过第一光学补偿器的光线的偏振状态。
图6A和6B示出了通过第二光学补偿器的光线的偏振状态。
图7示意性示出了通过黑色显示状态的LCD 100时光线如何改变 它的偏振状态。
图8A是表示LCD 100的电学光学特性的曲线。
图8B是表示黑色显示状态的LCD 100的光谱的透射特性的曲线。
图9是表示液晶层的前延迟Δn·d和反差比之间关系的曲线。
图10是表示第一光学补偿器的平面内延迟Re1和反差比之间关系 的曲线。
图11是表示角α和反差比之间关系的曲线，角α定义为第一光学补 偿器的慢轴相对于黑色显示状态中液晶分子的取向方向的角，液晶分 子位于两个基板中离第一光学补偿器更近的那个附近。
图12是表示液晶层的前延迟Δn·d和产生最大反差比的第二光学补 偿器的平面内延迟Re2之间关系的曲线。
图13是表示第二光学补偿器的平面内延迟Re2和反差比的之间关 系的曲线。
图14是表示角β和反差比之间关系的曲线，角β定义为第二光学补 偿器的慢轴相对于黑色显示状态中液晶分子的取向方向的角，液晶分 子位于两个基板中离第一光学补偿器更近的那个附近。
图15是示意性说明根据本发明的另一个特定优选实施例的LCD 100′的横截面图。
图16A是示意性说明根据本发明的特定优选实施例的多层相位板 200的透视图。
图16B是多层相位板200的部件分解透视图。

下面将参照附图说明本发明的优选实施例。应当注意到本发明决 不限于以下的特定优选实施例。
图1示意性说明了根据本发明的特定优选实施例的液晶显示器 (LCD)100的结构。
如图1所示，LCD 100优选包括一液晶单元10和两个偏振器20a 和20b，偏振器互相面对，液晶单元10夹在它们之间。LCD 100优选 是用于以标准黑色模式执行显示操作的扭曲向列(TN)LCD。
液晶单元10优选包括两个基板11a和11b(这里将分别称为“前 基板”和“后基板”)和夹在它们之间的液晶层12。液晶层12中的液 晶分子的取向状态优选由两个电极13a和13b控制，两个电极彼此相 对，液晶层插在它们之间。图1示意性说明了包括在液晶层12中的液 晶分子，当前没有对液晶层施加电压。液晶分子典型地具有85度到95 度的扭曲角。而且，在该优选实施例中，液晶层12优选设计成液晶分 子从后基板11b向前基板11a逆时针方向扭曲。
如果液晶单元10由有源矩阵寻址技术驱动，则电极13a和13b优 选分别是提供给每个像素的像素电极和面对像素电极的反向电极，优 选给液晶单元10的每个像素提供诸如MIM元件或TFT的有源部件。另 一方面，如果液晶单元10由简单矩阵寻址技术驱动，则电极13a和13b 优选是条纹状电极。
在该优选实施例中，两个对准层14a和14b优选分别提供在前基 板11a和后基板11b上，从而接触液晶层12。对准层14a和14b可以 是已经受到摩擦处理的水平对准膜。
配置在液晶单元10外部的偏振器20a和20b，优选使它们的透射 轴确定为能够在不向液晶层12施加电压的情况下实施黑色显示操作。
该LCD 100在标准黑色模式下实施显示操作。因此，不像标准白 色模式，不需要为每个象素不被电极覆盖的部分提供任何不透明层， 因此能够以大大增加的孔径比显示明亮图像。
该优选实施例的LCD 100优选还包括第一光学补偿器1和第二光 学补偿器2。第一光学补偿器1优选提供在靠近观众的偏振器20a和液 晶单元10之间。另一方面，第二光学补偿器2优选提供在第一光学补 偿器1和偏振器20a之间。下面，将详细说明第一光学补偿器1和第 二光学补偿器2的功能。
首先已经在黑色显示状态下透射过液晶层12的光的偏振状态将用 Poincaré球体来说明。如图2所示，Poincaré球体用表示偏振状态的 斯托克司参数S0，S1，S2和S3确定，当正交坐标系统的三个轴用其他 三个斯托克司参数S1，S2和S3确定时它的半径用斯托克司参数S0(强 度)确定。也就是说，出射光的偏振状态用Poincaré球体上的一个点 表示。这样的表示方法称为“Poincaré球体表示法”。
对于Poincaré球体上一个给定的点，其纬度La通过将椭圆率角 度加倍获得，其经度Lo通过将椭圆长轴的方位角加倍获得，并且正椭 圆率角度表示右圆偏振光。因此，右偏振光线表示在Poincaré球体的 北半球上，而左偏振光线表示在南半球上。而且，具有零度椭圆率角 的光线(即线性偏振光线)表示在赤道上，右圆偏振光线表示在北极 上，而左圆偏振光线表示在南极上。
图3A和3B示出了在黑色显示状态下借助偏振器20b作为线性偏 振光线进入液晶层12并接着离开液晶层的光线的偏振状态。特别是， 图3A是Poincaré球体上的点向由S2和S3轴确定的平面上的垂直投 影，而图3B是Poincaré球体上的点向由S1和S3轴确定平面上的垂直 投影。图3A和3B示出了具有400nm到700nm的波长的光线。这时， 液晶层的前延迟Δn·d是480nm，因此满足关于具有550nm波长的光的 第一最小条件。应当注意到“前延迟Δn·d”是由液晶层12对于已经垂 直入射到该层表面的光线展示的延迟(即，在厚度方向上)。
在图3A中，不同的S2坐标表示不同的偏振光线的长轴方向，S2＝ 0表示偏振光线的长轴方向垂直于将进入液晶层12的线性偏振光线的 极化方向。如这里用到的，“偏振光线的长轴方向”不仅指椭圆偏振 光线的椭圆长轴方向，而且指除非另外提到的线性偏振光的偏振方 向。而且，在图3A和3B中，不同的S3坐标表示不同的偏振光线的椭 圆率。特别是，S3＝0表示线性偏振光线，S3＝1表示右圆偏振光线， 而S3＝-1表示左圆偏振光线。
如图3A所示，具有550nm波长的偏振光线的长轴方向(用开开方 形□表示)垂直于进入液晶层12的线性偏振光线的偏振方向。同时， 具有任意其他波长的偏振光线(例如具有450nm波长的偏振光线用开 三角形△表示，具有650nm波长的偏振光线用开圆○表示)与具有550nm 波长的光具有不同的长轴方向。而且，具有550nm波长的偏振光线是 线性偏振光线，而具有其他波长的偏振光线不是线性偏振光线，而是 椭圆偏振光线。
已经看出，在TN LCD 100中，不是透射过黑色显示状态的液晶层 12的所有的光而是只有具有特定波长的一部分光(即，在该例子中为 具有550nm波长的光线)是想要的线性偏振光线。因此，透射过液晶 层12的偏振光线可以具有随着波长变化的各种任意的长轴方向和椭圆 率。那就是说，已经通过黑色显示状态的液晶层12的偏振光线的“旋 转角”和“椭圆率”具有波长依赖性(或波长色散)。偏振光线的“旋 转角”表示以度表示的由液晶层12在偏振光线的长轴方向上引起的变 化。偏振光线的“椭圆率”是椭圆的长轴和短轴的比，椭圆长轴从垂 直于传播方向的平面上的偏振光线的电矢量取出。因此，线性偏振光 线椭圆率为0，而圆偏振光线椭圆率为1。
LCD 100的第一光学补偿器1优选补偿已经通过黑色显示状态的 液晶层12的偏振光线的“旋转角”的波长依赖性(或波长色散)。
在通过黑色显示状态的液晶层12的偏振光中，第一光学补偿器1 典型地具有几乎不改变具有特定波长的线性偏振光线的偏振方向而将 具有比特定波长更短或更长的波长的椭圆偏振光线的椭圆长轴方向与 线性偏振光线的偏振方向基本上对准的功能。在该优选实施例中，第 一光学补偿器1优选几乎不改变具有550nm波长的偏振光线的长轴方 向，它已经获得了理想的偏振状态，并优选将具有另一波长的偏振光 线的长轴方向与具有550nm波长的偏振光线的长轴方向基本上对准。
具有这些功能的第一光学补偿器1优选安排为第一光学补偿器1 具有在平行于液晶层12定义的平面内的慢轴，并且该慢轴基本上垂直 于更靠近第一光学补偿器1布置的对准层14a的取向控制方向。那就 是说，第一光学补偿器1优选安排为它的慢轴基本上垂直于更靠近黑 色显示状态的第一光学补偿器1布置的基板11a附近的液晶分子的取 向方向。通过采用这样的安排，在具有550nm波长的光中将不产生相 位差，而在具有另一波长的光线中可以产生相位差。结果，具有另一 波长的偏振光线的长轴方向能够被改变，而基本上不改变具有550nm 波长的偏振光线的长轴方向。
由光通过具有这样的慢轴的第一光学补偿器1引起的偏振状态的 改变，等效于逆时针绕S2＝0和S3＝0点旋转图3A所示的图表中的任 意点。因此，具有另一波长的光线的经度可被改变，而不改变原来用 S2＝0和S3＝0点表示的具有550nm波长的光线的经度。
在图3A所示的曲线中，旋转程度随着第一光学补偿器1具有的在 平行于液晶层12定义的平面内的延迟量的变化而改变。因此，通过适 当调整第一光学补偿器1的平面内延迟Re1的大小，图3A所示的曲线 的旋转度数和偏振光线长轴方向的变化都能够被控制。
然而，从图3A能够看出，已经通过液晶层12的具有相应波长的 光线没有沿着Poincaré球体上的赤道排列，也没有分布在图3A所示 的曲线上的线中。因此，为了进一步减小偏振光线的经度变化和长轴 方向的偏移，光线优选根据其相应波长改变它们的旋转度数，而不是 不管它们的波长如何旋转到相同的度数。
例如，如果第一光学补偿器1具有平面内延迟Re1，它是光线波长 的四分之一，则在图3A所示的曲线上该光线逆时针方向旋转接近90 度。但是，如果第一光学补偿器1对具有任意波长的光线都用作λ/4 片，则每个具有任意波长的光线都将逆时针旋转接近90度。这样，在 同一经度上安排所有那些具有各种波长的光线会很困难。
在该优选实施例中，波长比550nm短的光线和波长比550nm长的 光线优选如图3A和3B所示分布在S3＜0的区域。因此，通过分别旋转 波长比550nm短的光线大于90度的角，并且旋转波长比550nm长的光 线以小于90度的角，偏振光线的长轴方向上的偏移能够被进一步减 小。
为了根据波长适当确定旋转度数，能够使用第一光学补偿器的平 面内延迟Re1的波长色散特性。假定第一光学补偿器1对于波长为λ的 光线的平面内延迟定义为Re1，λ，图3A或3B所示的曲线中波长为λ的 光线的旋转角度θ1由下式给出：
θ1＝360×Re1、λ/λ(度)
因此，通过适当定义Re1，λ，具有任意波长的光线能够有其所需的 旋转角度θ1，偏振光线的长轴方向的偏移能够进一步减少，偏振光线的 长轴方向能够基本上互相对准。
通过根据通过黑色显示状态的液晶层12的偏振光线的旋转角度的 波长依赖性，定义第一光学补偿器1的慢轴和平面内延迟Re1的波长色 散特性为预定模式(即，偏振光线的长轴方向能够互相对准)，第一 光学补偿器1能够执行它的预期功能。
对于第一光学补偿器1，优选使用这样的相位膜，它由具有单轴光 学各向异性的聚碳酸酯制成，对于550nm波长的光线有138nm的平面 内延迟Re1，具有图4中用实心菱形◆表示的波长色散特性。图4中， 对于具有550nm波长的光线的平面内延迟是1。
图5A和5B示出了已经通过液晶层12和第一光学补偿器1的光线 的偏振状态。特别是，图5A是Poincaré球体上的点在由S2和S3轴确 定平面上的正交投影，而图5B是Poincaré球体上的点在由S1和S3轴 确定平面上的正交投影。如图5A所示，通过使具有任意波长的光线通 过第一光学补偿器1，光线的S2值能够基本上等于550nm波长的光线 的S2值。结果，具有相应波长的光线的长轴方向能够基本上互相对准。 为了使第二光学补偿器2尽可能简单地执行它的光学补偿，偏振光线 的长轴方向变化优选最小化。
如上所述，已经通过第一光学补偿器1的偏振光线在整个波长范 围内在它们的长轴方向上显示很小的变化。然而，已经通过第一光学 补偿器1的光线的S3值(即，Poincaré球体的纬度)随波长而变化。 因此，出射光线不仅包括线性偏振分量，而且包括椭圆偏振分量。那 就是说，这时在该点上，光的椭圆率仍然展示波长依赖性(即，波长 色散)。
因此，优选提供第二光学补偿器2，从而补偿已经通过黑色显示状 态的液晶层12的偏振光线的“椭圆率”的波长依赖性(或波长色散)。
在通过黑色显示状态的液晶层12的偏振光中，第二光学补偿器2 典型具有使具有特定波长的线性偏振光和原来一样地通过而改变具有 比特定波长短或长的波长的椭圆偏振光线为基本上线性的偏振光线的 功能。在该优选实施例中，第二光学补偿器2优选使具有550nm波长 的线性偏振光和原来一样地通过，并优选改变具有任意其他波长的椭 圆偏振光线为基本上线性的偏振光线。
具有这样功能的第二光学补偿器2优选被安排成第二光学补偿器 2具有在平行于液晶层12定义的平面内的慢轴，并且当液晶单元10 从第二光学补偿器2观看时，该慢轴确定关于对准层14a的取向控制 方向的逆时针方向有近似45度的角。那就是说，第二光学补偿器2优 选这样安排，使它的慢轴与黑色显示状态下更靠近第二光学补偿器2 的基板11a附近的液晶分子的取向方向，确定有近似45度的角。
光线通过具有这样的慢轴的第二光学补偿器2所引起的偏振状态 变化，等效于在图5B所示的曲线上的任意点绕S1＝0和S3＝0点逆时 针旋转。在图5B所示的曲线中，旋转度数随着第二光学补偿器2具有 的在液晶层12定义的平面内的延迟量而变化。因此，通过适当调整第 二光学补偿器2的平面内延迟Re2的量，图5B所示的曲线上的旋转度 和偏振光线的椭圆率变化都能够被控制。应当注意到如果液晶层12中 的液晶分子以不同的方向扭曲(即，如果液晶层12设计为液晶分子从 基板11b向基板11a顺时针旋转)，则第二光学补偿器2优选布置位 使它的慢轴关于靠近观众布置的基板11a附近的黑色显示状态中的液 晶分子的取向方向顺时针有近似45度角。
在这种情况下，为了使波长550nm的线性偏振光线如原样通过， 第二光学补偿器2的平面内延迟Re2可被调整，从而例如具有550nm 波长的光线旋转近似180度。
然而，从图5A和5B能够看到，已通过液晶层12并接着通过第一 光学补偿器1的具有相应波长的光线在Poincaré球体上具有相互不同 的纬度和各不相同的S3值(即，椭圆率)。因此，即使所有光线不管 波长是多少，都同样旋转近似180度，不能补偿椭圆率的波长依赖性。 因此，旋转度需要随着波长而改变。
在该优选实施例中，如图5A和5B所示，波长小于550nm的光线 分布在S3＞0的区域，波长大于550nm的光线分布在S3＜0的区域。因 此，通过旋转波长小于550nm的光线大于180度的角，而旋转波长大 于550nm的光线小于180度的角，就能补偿椭圆率的波长依赖性。
为了根据波长适当确定旋转度，能够使用第二光学补偿器2的平 面内延迟Re2的波长色散特性。假定图5B所示的曲线上，第二光学补 偿器2关于波长为λ的光线的平面内延迟定义为Re2，λ，波长为λ的光线 的旋转度数θ2由下式给出：
θ2＝360×Re2、λ/λ(度)
因此，通过适当确定Re2，λ，具有任意波长的光线能够具有其所需 的旋转角度θ2，椭圆率的波长依赖性可被补偿。
通过根据通过黑色显示状态的液晶层12的偏振光线椭圆率的波长 依赖性，确定第二光学补偿器2的慢轴和平面内延迟Re2的波长色散特 性(即，偏振光线的椭圆率能够互相匹配)，第二光学补偿器2能够 执行它想要实现的功能。
对于第二光学补偿器2，优选使用这样的相位膜，它由具有单轴光 学各向异性的聚乙烯醇制成，对于550nm波长的光线用作λ/2片，并 具有图4中用实心正方形■表示的波长色散特性。
图6A和6B示出了已通过第一和第二光学补偿器1和2的光线的 偏振状态。如图6A和6B所示，通过使具有任意波长的光线通过第二 光学补偿器2，光线的S3值能够近似等于0，并且光线能基本上变为线 性偏振光线。这时，任意波长的光线的S2值也近似等于0，偏振光线 的长轴方向基本上互相对准。因此，已经通过第一和第二光学补偿器1 和2的光线是线性偏振光线，其几乎在整个可见辐射范围内有相同的 偏振方向(其中，范围在450nm到650nm的用△，□和○表示)。因此， 通过使偏振器20a更靠近观众(下面将称为“前偏振器”)并且偏振 器20b不太靠近观众(下面将称为“后偏振器”)，从而满足预定的 关系(例如，在该优选实施例中为交叉的尼古拉斯(Nicols))，已 经通过黑色显示状态的液晶层12的光线能够在几乎整个可视辐射范围 中非常有效地被前偏振器20a切断，从而把黑色显示中不想要的颜色 最小化。结果，LCD 100实现高反差比显示。
下面，将参照图7简要概述光线在通过黑色显示状态的LCD 100 时是如何改变其偏振状态的。图7中，LCD 100的各个部件示意性地 放在左侧，而通过那些部件的光线对于三原色R、G和B的偏振状态示 意性地显示在右侧。而且，在图7中，偏振器20a和20b上的箭头表 示其透射轴，基板11a和11b上的箭头分别表示位于黑色显示状态的 基板11a和11b附近的液晶分子的取向状态(即，对准层14a和14b 的取向控制方向)，并且第一和第二光学补偿器1和2上的箭头表示 它们的慢轴。
从背光(未示出)发出的光将被转换为线性偏振光线，在离开后 偏振器20b时，其偏振方向平行于后偏振器20b的透射轴。接着，当 通过没有被施加电压的液晶层12时，由于液晶层12的光学旋转能力， 该线性偏振光线的偏振方向旋转近似90度。然而，这时，G光线是其 偏振方向精确旋转90度的线性偏振光线，而B光线和R光线是具有不 同于G光线的椭圆长轴方向的椭圆偏振光线。
这些光线通过第一光学补偿器1时，B和R光线的椭圆长轴方向基 本上与G光线的偏振方向对准。这样就补偿了旋转角的波长依赖性。 当其后这些光线通过第二光学补偿器2时，椭圆偏振的B和R光线成 为线性偏振光线，并且椭圆率的波长依赖性也得到补偿。因此，现在R、 G和B光线都是具有相同偏振方向的线性偏振光线。
在以这种方式补偿了旋转角和椭圆率的波长依赖性后，现在那些 光线是线性偏振光线，其偏振方向垂直于前偏振器20a的透射轴。因 此，上述大部分光线吸收到偏振器20a中。
如上所述，该优选实施例的LCD 100优选包括第一光学补偿器1， 它补偿通过黑色显示状态的液晶层12的偏振光线的旋转角的波长依赖 性，和第二光学补偿器2，它补偿其椭圆率的波长依赖性。因此，LCD 100 能够实施黑色显示的不需要的颜色被最小化的高反差比的显示操作。 而且，根据上述本发明的优选实施例，旋转角和椭圆率的波长依赖性 分别由第一光学补偿器1和第二光学补偿器2补偿，第一光学补偿器1 与液晶层12相对接近，第二光学补偿器2与液晶层12相对距离远。 因此，第一光学补偿器1和第二光学补偿器2每个都可以有足够简单 的结构，并可以足够容易地使用，从而大大降低了生产成本。
对于第一和第二光学补偿器1和2，可以使用单轴光学各向异性的 相位膜。那就是说，第一和第二光学补偿器1和2每个都可以是一个 单相位膜，因此，不需要一个接一个地堆叠多个相位膜。结果，LCD 100 能够具有减小的厚度。
如果具有简单结构的光学元件(例如，一个单轴相位膜)用作第 一光学补偿器1，则第一光学补偿器1优选设计为，不改变具有特定波 长的偏振光线的长轴方向，但把具有任意其他波长的偏振光线的长轴 方向与具有特定波长的偏振光线的长轴方向对准。这时因为不容易改 变具有各种波长的偏振光线的长轴方向，从而通过使用具有象单轴相 位膜这样简单结构的光学元件使那些方向互相对准。应当注意到，特 定波长优选等于通过黑色显示状态的液晶层的光线获得理想偏振状态 的波长，在该特定波长偏振光线的长轴方向固定，同时第一光学补偿 器1进行它的光学补偿。在上述优选实施例中，该特定波长假定为 550nm，它包括在表示绿光线的波长范围内。但是，特定波长不总限于 该值，但优选在450nm到600nm范围内。而且，如果特定波长包括在 其中获得高发光度的500nm到600nm的波长范围内，则获得良好的亮 度和反差比。另一方面，如果特定波长包括在450nm到500nm的波长 范围内，则得到的亮度和反差比将稍微降低，而仍然实现良好的白色 显示。
第二光学补偿器2典型地具有使具有特定波长的线性偏振光线象 原来一样通过(并且它的偏振方向旋转90度)并且使具有任意其他波 长的椭圆偏振光线改变为基本上线性的偏振光线的功能。根据本发明 的优选实施例，旋转角的波长依赖性由相对接近于液晶层12的单轴相 位膜补偿。从而，即使第二光学补偿器2是具有诸如单轴相位膜的简 单结构的光学元件，第二光学补偿器2也仍然能够实现这些功能。
为了恰好如希望的一样获得由第一光学补偿器1作出的光学补 偿，第一光学补偿器1的慢轴和平面内延迟Re1的波长色散特性，优选 根据通过黑色显示状态的液晶层12的偏振光的旋转角波长依赖性，而 调整到预定值。
而且，为了恰好如希望的一样获得由第二光学补偿器2作出的光 学补偿，第二光学补偿器2的慢轴和平面内延迟Re2的波长色散特性， 优选根据通过黑色显示状态的液晶层12的偏振光的椭圆率波长依赖 性，而调整到预定值。
上述根据本发明优选实施例的LCD 100可以例如按照如下方式制 作。
首先，优选准备两个基板(例如由玻璃制成)11a和11b。接着， 透明导电层(例如，ITO薄膜)优选用溅射技术，在两个基板11a和 11b的每个上沉积100nm到140nm的厚度，接着优选用光刻工艺形成 图案，从而分别在基板11a和11b上形成透明电极13a和13b。
然后，水平对准薄膜14a和14b优选用旋转涂覆技术分别在基板 11a和11b上的透明电极13a和13b上沉积到50nm的厚度，接着优选 经过摩擦处理。在该处理步骤中，摩擦处理优选在水平对准薄膜14a 和14b上执行，从而当基板11a和11b彼此相对时，得到的其摩擦方 向将互相垂直。
接着，基板11a和11b优选接合在一起，它们之间具有5.2μm的 单元间隙。更特别的是，塑料衬垫散布在两个基板之一上后，两个基 板11a和11b优选彼此相对，并且印在显示区域周围的热固性粘合剂 优选固化，从而使两个基板互相固定。
因此，液晶材料优选用真空注入方法注入两个基板11a和11b之 间的间隙，从而形成液晶层12。在该优选实施例中，具有0.0924的 折射率各向异性Δn的向列液晶材料和0.15wt％的光学活性物质CB15 的混合物优选用作液晶材料。在该处理步骤中，优选准备液晶材料， 使得当没有电压施加时，液晶层12中的液晶分子具有90度的扭曲角， 并且液晶层12具有480nm的前延迟Δn·d。液晶层12优选也设计成液 晶分子从后基板11b向前基板11a逆时针方向扭曲。
以该方式获得的液晶单元10满足对于550nm波长的光的第一最低 条件。
接着，由聚碳酸酯制成并具有140nm的平面内延迟Re1的单轴相位 膜1，优选作为第一光学补偿器1提供在前基板11a上。在该处理步骤 中，相位膜1优选这样安排，靠近前基板11a的液晶分子的取向方向 垂直于相位膜1的慢轴。在该优选实施例中，相位膜1优选由聚碳酸 酯制成，因为聚碳酸酯的折射率各向异性展示了理想的波长色散特 性，这有助于对准通过由液晶材料制成的液晶层12的光线的长轴方 向。但是，如果液晶层12具有不同的扭曲角或者如果液晶材料具有不 同的光学物理特性值，则第一光学补偿器1的优选波长色散特性也可 能改变。因此，相位膜1的材料可以根据液晶层12的扭曲角和/或液 晶材料的光学物理特性值进行选择。
因此，优选在相位膜1上提供作为第二光学补偿器2的单轴相位 膜2，其由聚乙烯醇制成并具有270nm的平面内延迟Re2。在该处理步 骤中，相位膜2优选这样安排，相位薄膜2的慢轴关于相位薄膜1的 慢轴从液晶单元10上观察(即从观众角度看)顺时针方向有45度角， 即相位薄膜2的慢轴定义对于接近前基板11a的液晶分子的取向方向 逆时针有45度角。应当注意到，如果液晶层12中的液晶分子以相反 方向(即顺时针)扭曲，则相位膜2优选这样安排，相位膜2的慢轴 定义对于接近黑色显示状态的前基板11a的液晶分子的取向方向顺时 针近似45度。在该优选实施例中，相位薄膜2优选由聚乙烯醇制成， 因为聚乙烯醇的折射率各向异性展示出所需的波长色散特性，这有助 于把通过由液晶材料制成的液晶层12的偏振光线改变为在整个波长范 围内基本上线性的偏振光线。但是，如果液晶层12具有不同的扭曲角， 或者如果液晶材料具有不同的光学物理特性值，则第二光学补偿器2 的优选波长色散特性值也会改变。因此，相位膜2的材料可以根据液 晶层12的扭曲角和/或液晶材料的光学物理特性值来选择。
因此，后偏振器20b优选这样安排，使后偏振器20b的透射轴变 为基本上平行于后基板11b附近的液晶分子的取向方向。最后，前偏 振器20a优选这样安排，使两个偏振器20a和20b确定交叉尼古拉斯， 从而形成LCD 100。或者，后偏振器20b可以这样安排，使后偏振器 20b的透射轴变成基本上垂直于后基板11b附近的液晶分子的取向方 向，并且前偏振器20a也可以这样安排，使两个偏振器20a和20b确 定交叉尼古拉斯。
图8A示出了以这种方式制作的LCD 100的电学光学特性。为了比 较，图8A也示出了传统的LCD的电学光学特性作为比较性例子，它与 LCD 100具有几乎相同的结构，但是不包括第一光学补偿器1和第二 光学补偿器2。
如图8A所示，在黑色显示状态，用实线表示的LCD 100的透射率 比用虚线表示的传统LCD的透射率低。因此，能够看出LCD 100甚至 实现了更暗的黑色显示和提高了的反差比。特别是，比较性例子的LCD 实现了恰好50的反差比，而该优选实施例的LCD 100获得高达300甚 至更高的反差比。结果，实现高质量显示。
图8B示出了LCD 100在黑色显示状态的光谱透射特性。如图8B 所示，在黑色显示状态，在整个可见光辐射范围内，用实线表示的LCD 100的透射率比用虚线表示的传统LCD的透射率低。因此，能够看出 LCD 100实现了良好的黑色显示。
在上述优选实施例中，第一光学补偿器1优选由聚碳酸酯制成， 第二光学补偿器2优选由聚乙烯醇制成。但是，第一和第二光学补偿 器1和2的材料绝不限于此。而是，第一光学补偿器1的材料可以参 考其折射率各向异性和其折射率各向异性的波长色散特性来选择，从 而有效补偿通过黑色显示状态的液晶层12的任意偏振光线的旋转角的 波长依赖性。而且，第二光学补偿器2的材料可以参考它的折射率各 向异性和它的折射率各向异性的波长色散特性选择，从而有效补偿通 过黑色显示状态的液晶层12的任意偏振光线的椭圆率波长依赖性。
而且，在上述优选实施例中，具有单轴光学各向异性的相位膜优 选用作第一和第二光学补偿器1和2。或者，也可以使用任何其他类型 具有光学补偿能力的光学元件。作为另一个替换方式，任意其他的补 偿能力可以加入到第一光学补偿器1和/或第二光学补偿器2。但是， 为了以低成本和高生产率生产LCD 100，优选使用具有单轴光学各向 异性的相位膜。
下面，将更详细地说明液晶层12、第一光学补偿器1和第二光学 补偿器2的优选特性。应当注意到液晶层12的前延迟Δn·d，第一光学 补偿器1的平面内延迟Re1和第二光学补偿器2的平面内延迟Re2优选 关于具有使液晶层12满足第一最低条件的特定波长的光线(例如，在 该优选实施例中是550nm波长的光线)确定。
液晶层
LCD的显示性能在液晶层12的前延迟Δn·d(即关于垂直于液晶层 12入射的光线的延迟)变化的情况下评价。尤其是，制作了多个其液 晶层12有370nm到580nm的前延迟Δn·d的LCD，并对它们的显示性能 进行了评价。在这一评价中，由聚碳酸酯制成并具有140nm的平面内 延迟Re1的相位膜用作第一光学补偿器1，由聚乙烯醇制成的相位膜用 作第二光学补偿器2。根据液晶层12的前延迟Δn·d的变化，适当控制 第二光学补偿器2的平面内延迟Re2，从而将反差比最大化。第一光学 补偿器1这样安排，使它的慢轴垂直于前基板11a附近的液晶分子的 取向方向。另一方面，第二光学补偿器2这样安排，使得从液晶单元 10方向观察，它的慢轴与前基板11a附近的液晶分子的取向方向逆时 针有45度角。
图9示出了液晶层的前延迟Δn·d和反差比之间的关系。从图9能 够看出，通过确定液晶层12的前延迟Δn·d在390nm到550nm的范围 内，实现了具有100或100以上反差比的良好显示。而且，通过确定 液晶层12的前延迟Δn·d在420nm到520nm的范围内，实现了具有200 或200以上反差比的更好显示。通过确定液晶层12的前延迟Δn·d在 440nm到480nm的范围内，实现了具有300或300以上反差比的甚至 更好的显示。
第一光学补偿器
恰如以上对液晶层12所描述的一样，也生产了多个LCD，并在第 一光学补偿器1的平面内延迟Re1变化的情况下凭借其显示性能。在这 种情况下，液晶层12具有480nm的前延迟Δn·d，第二光学补偿器2具 有275nm的平面内延迟Re2。
图10示出了第一光学补偿器1的平面内延迟Re1和反差比之间的 关系。从图10能够看出，通过确定第一光学补偿器1的平面内延迟Re1 在75nm到210nm的范围内，实现具有100或100以上反差比的良好显 示。而且，通过确定第一光学补偿器1的平面内延迟Re1在105nm到 175nm的范围内，实现具有200或以上反差比的更好显示。
LCD 100的显示性能在角α改变的情况下评价，该角是第一光学补 偿器1的慢轴和靠近黑色显示状态中的第一光学补偿器1的基板11a 附近的液晶分子的取向方向之间的角。在这种情况下，液晶层12的前 延迟Δn·d设为480nm，第一光学补偿器1的平面内延迟Re1设为140nm， 第二光学补偿器2的平面内延迟Re2设为275nm。
图11示出了角α和反差比之间的关系。从图11能够看出，通过确 定角α在85度到95度之间，实现大约100或100以上反差比的良好显 示。通过确定角α在86度到94度之间，实现200或200以上反差比的 更好显示。通过确定角α近似等于90度，实现300或300以上反差比 的甚至更好的显示。因此，该角α最适合尽可能改善显示质量。
总之，为了实现良好显示状态，第一光学补偿器1的平面内延迟 Re1优选为75nm到120nm，第一光学补偿器慢轴和靠近黑色显示状态 的第一光学补偿器1的基板11a附近的液晶分子的取向方向之间角α优 选是85度到95。
第二光学补偿器
在液晶层12的前延迟Δn·d在370nm到580nm范围内变化的情况 下，对将反差比最大化的第二光学补偿器2的平面内延迟Re2进行评 价。在该评价中，由聚碳酸酯制成并具有140nm平面内延迟Re1的相位 膜用作第一光学补偿器1，由聚乙烯醇制成的相位薄膜用作第二光学补 偿器2。
图12示出了液晶层12的前延迟Δn·d和将使反差比最大化的第二 光学补偿器2的平面内延迟Re2之间的关系。从图12能够看出，如果 液晶层12的前延迟Δn·d在370nm到580nm，当第二光学补偿器2的平 面内延迟Re2满足Re2＝0.44·(Δn·d)+65时反差比基本上被最大化。
在液晶层12的前延迟Δn·d固定在480nm和第二光学补偿器2的平 面内延迟Re2在200nm到320nm范围内变化的情况下，对LCD 100的 显示性能进行了评价。
图13示出了第二光学补偿器2的平面内延迟Re2和反差比之间关 系。从图13和前面提到的方程能够看出，当第二光学补偿器2的平面 内延迟Re2是276.2nm时获得最大的反差比。从图13也能看出，只要 从使反差比最大化的平面内延迟Re2的变化是15nm或以下，就能实现 具有100或100以上反差比的良好显示。那就是说，如果第二光学补 偿器2的平面内延迟Re2满足不等式0.44·(Δn·d)+50≤Re2≤0.44· (Δn·d)+80，就能实现良好显示。而且，只要使反差比最大化的平 面内延迟Re2的变化是10nm或以下，就能实现具有200或200以上反 差比的更好显示。那就是说，如果第二光学补偿器2的平面内延迟Re2 满足不等式0.44·(Δn·d)+55≤Re2≤0.44·(Δn·d)+75，就能实现 更好显示。
在角β变化的条件下评价LCD 100的显示性能，角β是第二光学补 偿器2的慢轴和接近第一光学补偿器1的基板11a附近的液晶分子的 取向方向之间的角。在这种情况下，当液晶单元10从第二光学补偿器 2观察时，正的角β假定为顺时针，负的角β假定为逆时针。
图14示出了角β和反差比之间的关系。从图14能够看出，把角β 确定在逆时针42度到48度的范围内，就能实现具有大约100或100 以上反差比的良好显示。而且，把角β确定在逆时针43度到47度的范 围内，就能实现具有大约200或200以上反差比的更好显示。并且， 把角β确定在逆时针近似等于45度，就能实现具有大约300或300以 上反差比的甚至更好显示。因此，该角β最适于尽可能改善显示质量。
在上述优选实施例中，第一和第二光学补偿器1和2假定比液晶 单元10更接近观众。或者，第一和第二光学补偿器1和2也可以比液 晶单元10距离观众更远。图15所示的LCD 100′是通过将LCD 100颠 倒获得的，并且光学上等效于LCD 100。因此，图15所示的LCD 100′ 中，通过黑色显示状态的液晶层的偏振光线的旋转角和椭圆率的波长 依赖性，由第一和第二光学补偿器1和2同样地进行补偿。结果，LCD 100′也实施黑色显示的彩色被最小化并且反差比大大增加的显示操 作。  
多层相位板
用于根据本发明的优选实施例的LCD中的第一和第二光学补偿器 1和2可以是诸如图16A和16B所示的多层相位板200。图16B是多层 相位板的部件分解透视图，其中箭头表示慢轴。如图16A和16B所示， 多层相位板200优选具有包括第一层201和第二层202的多层结构。
第一和第二层201和202优选每个都有慢轴，并在平行于它的主 平面定义的平面内展示延迟。第一层201优选用作第一光学补偿器， 第二层202优选用作第二光学补偿器。
多层相位板200可以用于在标准白色模式下执行显示操作的TN LCD，并能够在基本上整个可见光范围内，补偿通过黑色显示状态的液 晶层的偏振光线的旋转角和椭圆率的波长依赖性。也就是说，多层相 位板200能够用作宽带波长补偿器。在典型的配置中，第一层201优 选比第二层202更接近于液晶单元。
为了对具有标准特性的LCD实现有效的光学补偿，能够从图10看 出，第一层201优选具有75nm到210nm的平面内延迟。
假定液晶单元的液晶层具有前延迟Δn·d，从图12和13能够看出， 第二层202的平面内延迟优选满足不等式0.44·(Δn·d)+50≤Re2≤0.44 ·(Δn·d)+80。而且，从图9能够看出，如果液晶层具有390nm到550nm 的前延迟Δn·d，就能获得良好的反差比。因此，在包括具有在该范围 内的前延迟Δn·d的液晶层的液晶单元中，从上述的公式能够看出，第 二层202优选具有220nm到320nm的平面内延迟。因此，为了有效实 现光学补偿，第二层202优选具有220nm到320nm的平面内延迟。
而且，从图14能够看出，第二层202的慢轴与第一层210的慢轴 之间优选具有42度到48度的角，43度到47度更好，有近似45度的 角优选。
本发明的各个优选实施例提供了标准黑色模式扭曲向列液晶显示 装置，它能实施具有将不想要的彩色最小化并且反差比大大增加的黑 色显示操作，并能以低成本生产，优选实施例也提供了一种多层相位 板，它能有效用于这样的液晶显示装置中。
尽管本发明已经参照优选实施例进行了说明，但是对本领域技术 人员来说，很显然公开的发明可以以多种方式修改并可以呈现与上述 特别提出的不同的很多实施例。因此，随附的权利要求意图覆盖落入 在本发明的真实精神和范围内的所有修改。