液晶投影仪被广泛地用于将图像投影到屏幕上。所述液晶投影仪 照射显示在透射或反射液晶器件上的图像，并且通过投影透镜系统将 图像聚焦在屏幕上，以便很多人可以同时观看图像。液晶投影仪具有 正面投影型和背面投影型。正面投影型投影仪从屏幕的正面(观看者 那面)投影图像，而背面投影型投影仪从屏幕的背面投影图像。
虽然有各种类型的液晶器件都可以用于液晶投影仪，但主要还是 使用TN(扭转向列)型液晶器件。TN型液晶器件具有一对衬底之间 的一个液晶层。在该液晶层中液晶分子的长轴的方向与衬底保持平 行，在厚度方向上逐渐倾斜，以便液晶分子的长轴沿着从一个衬底和 另一个衬底的路径平滑地扭转90度。液晶分子层被一对起偏振片(偏 振器和检偏器)夹在中间。用于普通白液晶器件的起偏振片的偏振轴 相互垂直(交叉偏光镜结构)。用于普通黑液晶器件的起偏振片的偏 振轴相互平行(平行偏光镜结构)。
液晶器件可以利用其旋光效应来显示图像。在普通的白型液晶器 件中，入射光通过第一起偏振片被线性偏振。当没有电压应用到该液 晶器件的未选择像素时，液晶层中的液晶分子被扭转以旋转线性偏振 光的偏振方向90度。经过液晶层的线性偏振光可以通过第二起偏振 片，以便未选择的像素出现白色状态。当某一电平的电压应用到所选 择的像素时，不会发生所述液晶分子的扭转调整。在此情况下，线性 偏振光的偏振方向在液晶层中不被旋转，因此线性偏振光被第二起偏 振片阻挡。这样，所选择的像素出现黑色状态。
所述液晶器件由于其双折射而具有视角窄的缺陷。双折射随着应 用到液晶层的电压的增加而变得明显。虽然垂直于液晶器件的入射光 在黑色状态下被完全阻挡，但是液晶层表现出双折射为斜入射光以改 变线性偏振光为椭圆偏振光。由于椭圆偏振光可以通过第二起偏振 片，因此入射光的泄漏导致所选择像素的黑色密度降低。
这种液晶分子的双折射出现在白色与黑色状态之间的状态，所以 斜入射光被部分泄漏。因此，如果斜着看，则液晶器件上图像的对比 度就会降低。任何类型的液晶器件都或多或少的具有这种双折射。
直接观察图像的直视型液晶显示器为了减少双折射效应而具有 一个延迟补偿器。作为延迟补偿器，在市场上已经有“Fuji WV Film Wide View A”(商品名，以下称作“WV膜”)，其由富士胶片株式会 社制造。具有多层薄膜的形状双折射层被用作延迟补偿器来防止斜着 观看图像的对比度降低，正如在出版物Eblen JP，“Birefringent C ompensators for Normally White TN-LCDs”，SID Symposium Digest， Society for Information Display，1994，245-248页中所描述的。 此外，美国专利No.5638197公开了一种延迟补偿器，其中在衬底上 倾斜地沉积有多个薄膜。
如上所述的延迟补偿器被应用到直视型液晶显示器中，其中在显 示面板前面右侧的观察者在多于明晰视觉距离的距离处观察所述图 像。在直视型液晶显示器中，观察者可以通过轻微地移动眼睛的位置 来调整边缘区域中图像的对比度。如果图像在同一时刻被多个观察者 观看，则由于所显示的图像与观察者之间的距离足以大到减小视角， 因此不太可能出现较低的对比度区域。
在液晶投影仪中，经过液晶层的入射光通过投影透镜系统被投影 到屏幕上。观察者可以观看投影到屏幕上的图像。所显示图像的对比 度由于液晶层的斜入射光而降低。此时，即使观察者尽量改变视角， 也不可能增加投影图像的对比度。具有大的后焦点的投影透镜系统可 以增加投影图像的对比度，因为这种透镜系统减小了液晶层的入射光 的入射角。但是，这种透镜系统不利于使投影仪的体积更小。
因此，为了解决液晶投影仪的对比度问题，增加液晶显示器的视 角的技术是很有效的。例如，日本公开专利出版物(JP-A) No.2002-014345和2002-031782描述了通过应用延迟补偿器到用于 液晶投影仪的液晶器件中来提高投影图像的对比度。在JP-A No.2002-014345中的液晶投影仪描述了有机材料，例如WV膜，作为 用于TN型液晶器件的延迟补偿器。在JP-A No.2002-031782中公开 了一种单轴双折射晶体，例如单晶蓝宝石及晶体。此外，在JP-A No.2002-131750中描述了一种圆盘(Discotic)型液晶作为延迟补 偿器。
上述延迟补偿器作为形状双折射体来表现取决于斜入射光的入 射角的光学各向异性效应。延迟补偿器的这种各向异性效应可以避免 投影图像的对比度由于来自具有大的发射角的液晶器件的斜发射光 而引起的降低。
有机延迟补偿器由于对包含紫外线部分的光的长时间照射而易 于退色。在液晶投影仪中光源的强度必须高于直视型液晶显示器的强 度。较高强度的光源引起延迟补偿器过热。延迟补偿器往往在2000 -3000小时内颜色会变成褐色。由于其耐用性较低，所以很难将有 机延迟补偿器应用到国内使用的液晶投影电视机中。
由蓝宝石或晶体组成的延迟补偿器具有供长期使用的较好耐用 性，但是蓝宝石和晶体都太贵了。此外，蓝宝石或晶体的切割面和厚 度必须精确地进行控制以表现所需的光学特性。更进一步地，蓝宝石 或晶体的延迟补偿器的方向在组装投影光学系统时必须精确调准。因 此，不考虑较好的耐用性，蓝宝石或晶体延迟补偿器在其制造成本方 面来说也不太适合家用型液晶投影仪。
透射液晶器件具有一个微型透镜阵列，以补偿每个像素的孔径比 由于衬底上划分像素电极的黑底部分所引起的降低。由于所述微型透 镜阵列改变了液晶器件的入射光的入射角，因此很难获得延迟补偿器 所设计的效果。此外，微型透镜阵列限制了延迟补偿器的位置。

本发明的一个目的是提供一种增加投影到屏幕上的图像的对比 度的液晶投影仪。
本发明的另一个目的是提高液晶投影仪中延迟补偿器的耐用性 足以长期使用，例如家用电视。
本发明的再一个目的是降低用于液晶投影仪的延迟补偿器的制 造成本。
本发明的又一个目的是改善当微型透镜阵列与液晶器件结合时 投影图像的对比度。
在本发明中的一种液晶投影仪包括：设置在液晶器件的入射平面 侧与发射平面侧的偏振器和检偏器；以及无机形状双折射层，用于补 偿由液晶器件引起的延迟。该形状双折射层设置于液晶器件的入射平 面侧和发射平面侧的至少一个平面侧的偏振器与检偏器之间。也可以 在反射液晶投影仪中设置形状双折射层，其中液晶器件的入射平面与 其发射平面相同。
在一个优选实施例中，形状双折射层是多个薄膜，这些薄膜包含 至少两种具有不同折射率的交替层叠的薄膜层。每个薄膜层的光学厚 度从λ/100到λ/5，其中λ为进入液晶器件的照射光的波长。
形状双折射层可以形成在所述液晶器件中。在此情况下，该液晶 器件具有在一对衬底主体之间的一个液晶层。形成在所述衬底主体的 内表面和外表面的至少一个表面上的形状双折射层补偿由于液晶层 中的双折射所引起的延迟。
在另一个优选实施例中，形状双折射层是配置成在垂直于照射光 或图像光的光轴的平面中呈现一维或二维折射率分布的多个双折射 构件。所述双折射构件可以倾斜于照射光或图像光的光轴。
根据本发明，由于使用无机形状双折射层作为延迟补偿器来提高 投影到屏幕上的图像的对比度，因此可以利用具有高图像对比度的投 影仪长期使用，例如家用电视。
附图的简要说明
附图1是一种背面投影型液晶投影仪的正面立体图；
附图2是表示具有透射液晶器件的液晶投影仪的光学系统的结 构图；
附图3是延迟补偿器的一个例子的截面示意图；
附图4是表示延迟补偿器的光谱透射率曲线图；
附图5是表示具有反射液晶器件的液晶投影仪的光学系统的结 构图；
附图6A和6B是具有延迟补偿器的反射液晶器件的示意图；
附图7是表示具有延迟补偿器和微型透镜阵列的透射液晶器件 的截面示意图；
附图8是表示其中在透射液晶器件中包含有形状双折射层的液 晶投影仪的光学系统的结构图；
附图9是具有形状双折射层的透射液晶器件的截面示意图；
附图10A、10B、10C、附图11A、11B和11C是表示像素电极侧 的液晶器件的例子的部分截面示意图；
附图12A、12B、12C、附图13A、13B和13C是表示公共电极侧 的液晶器件的例子的部分截面示意图；
附图14是具有绝缘层的液晶器件的截面示意图；
附图15、16是表示具有延迟补偿器和微型透镜阵列的透射液晶 器件的例子的截面示意图；
附图17是表示其中在反射液晶器件中包含有形状双折射层的液 晶投影仪的光学系统的结构图；
附图18是反射液晶器件的截面示意图；
附图19是附图18的液晶器件的部分截面示意图，其中形状双折 射层形成在硅衬底上；
附图20、21、22、23和24是形状双折射层的例子的局部立体图； 以及
附图25是通过倾斜沉积形成的形状双折射层的局部立体图。

附图1中描述了一种背面投影型的液晶投影仪。在该液晶投影仪 的外壳2的正面提供有一个漫透射屏3。从屏幕3的正面观察从其背 面投影的图像。通过安装在外壳2中的具有液晶器件的图像投影单元 5投影的图像被反射在反射镜6、7并被聚焦在屏幕3的背面。所述 液晶投影仪通过加入公知的电子电路(例如调谐器电路，视频/声音 信号再现电路)而可以用作宽屏电视。在此情况下，再现的视频图像 被显示在图像投影单元的液晶器件上。
如图2所示，图像投影单元5具有用于红、绿和蓝色图像11R、 11G和11B的三个透射液晶器件，以投影全色图像到屏幕3上。光源 12发射的光通过阻断紫外线和红外线分量的阻断滤波器13变成包含 红、绿和蓝光的白光。白光沿着照射光轴(附图中的一条虚线)行进 并进入玻璃棒14。由于玻璃棒14的入射平面位于光源12的抛物面 镜的焦点位置附近，来自阻断滤波器13的白光进入玻璃棒14的入射 平面而没有大的损失。
在通过玻璃棒14之后，白光被中继透镜15和准直透镜16校准。 校准的白光被反射在反射镜17上射向分色镜18R，该分色镜18R穿 过红光并反射蓝光和绿光。用于红色图像11R的液晶器件从后面被在 反射镜19上反射的红光照射。在分色镜18R上被反射的蓝光和绿光 到达其中仅反射绿光的分色镜18G。在分色镜18G上被反射的绿光从 后面照射用于绿色图像11G的液晶器件。在反射镜18B、20上被反射 的蓝光从后面照射用于蓝色图像11B的液晶器件。
液晶器件11R、11G、11B包含TN液晶层并且分别显示红、绿和 蓝色密度图像。通过液晶器件11R，11G和11B的红、绿和蓝光分别变 为红、绿和蓝色图像光。颜色重组棱镜24位于从颜色重组棱镜24 的中心到液晶器件11R，11G和11B的光学距离为相等的位置。颜色重 组棱镜24具有两个分光平面24a，24b，分别用于反射红光和蓝色图 像光，以便红、绿和蓝色图像光被合成为全色图像光。
投影透镜系统25定位在从颜色重组棱镜24的发射平面到屏幕3 的投影光轴上。投影透镜系统25的目标侧焦点在液晶器件 11R，11G，11B的发射平面上。投影透镜系统25的图像侧焦点在屏幕3 上。因此，来自颜色重组棱镜24的全色图像光通过投影透镜系统25 聚焦在屏幕3上。值得注意的是，为了简化附图，附图1中省略了反 射镜6，7。
作为偏振器的前起偏振片26R，26G，26B分别设置在液晶器件 11R，11G，11B的入射平面的前面。延迟补偿器27R，27G，27B以及作为 检偏器的后起偏振片28R，28G，28B配置在液晶器件11R，11G，11B的 发射平面侧。前起偏振片26R，26G，26B和后起偏振片28R，28G，28B 的偏振方向相互垂直(交叉偏光镜结构)。这些起偏振片与用于红、 绿和蓝色通道的延迟补偿器的操作基本上相同，而不管根据波长的不 同而存在的微小差异。因此，在以下描述中仅说明红色通道。
在反射镜19上被反射的红光通过前起偏振片26R而遭受线性偏 振，并进入用于普通白色类型的红色液晶器件11R中。将某一电平的 电压应用到所选择像素的液晶层以显示黑色像素图像。如果红色入射 光进入到垂直于入射平面的液晶器件11R中，则红色入射光被后起偏 振片28R完全阻挡。
但是，当红色入射光斜着进入入射平面时，液晶分子的双折射效 应出现使得入射光延迟。接着，线性偏振的斜入射光在通过该液晶层 期间变成椭圆偏振光。这种椭圆偏振光使得从所选择的像素的漏光， 从而黑色密度降低。在普通黑色型液晶器件中，液晶分子稍微倾斜。 因此，线性偏振入射光变成椭圆偏振光，从而像素的黑色密度降低。
位于液晶器件11R与后起偏振片28R之间的延迟补偿器27R补偿 所述延迟，以便椭圆偏振光变成线性偏振光。由于延迟补偿，后起偏 振片28R可以减少红色图像光的强度，从而该像素图像中的黑色密度 增加。因此，可以增加图像的对比度。
本发明的液晶投影仪在延迟补偿器27R中使用无机形状双折射 层，如图3中所示。形状双折射层30包括多个薄膜L1，L2，它们交 替层叠在透明玻璃衬底31上。薄膜L1，L2的折射率彼此是不同的。
每个薄膜的光学厚度(物理厚度与折射率的乘积)小于入射光的 波长λ。每个薄膜的光学厚度优选从λ/100到λ/5，更优选是从λ /50到λ/5，尤其是从λ/30到λ/10。因此，延迟补偿器27R表现出 c片(单轴双折射片)的负双折射。延迟补偿器27R的定位使得薄膜 的表面垂直于入射光的照射光轴。
用于高折射率薄膜材料的例子有TiO2(2.20至2.40)和 ZrO2(2.20)。圆括号中的数值表示折射率。用于低折射率薄膜的材料 有SiO2(1.40至1.48)、MgF2(1.39)和CaF2(1.30)。作为用于高折射 率薄膜和低折射率薄膜的材料，可以使用的材料例如有CeO2(2.45)、 SnO2(2.30)、Ta2O5(2.12)、In2O3(2.00)、ZrTiO4(2.01)、HfO2(1.91)、 Al2O3(1.59至1.70)、MGO(1.70)、ALF3、金刚石薄膜、LaTiOx以及氧 化钐。用于高折射率薄膜和低折射率薄膜的组合的例子有TiO2/SiO2、 Ta2O5/Al2O3、HfO2/SiO2、MgO/Mgf2、ZrTiO4/Al2O3、CeO2/CaF2、ZrO2/SiO2和ZrO2/Al2O3。
每个薄膜的光学厚度最好尽可能地小，以便防止薄膜L1，L2之间 的光学干涉。但是，每个薄膜的厚度越小，会导致沉积周期的增大， 从而构成具有所需总厚度的延迟补偿器。这样，根据双折射和沉积周 期数来确定折射率、厚度比以及总厚度。薄膜可以是彩色的，只要彩 色层不会影响薄膜干涉。有必要选择薄膜的材料不受沉积薄膜的内应 力而破裂。
利用沉积设备，例如真空沉积设备或溅射沉积设备来沉积形状双 折射层中的多个薄膜。沉积设备具有遮光器使原材料与衬底隔开。遮 光器交替开合，同时加热沉积原材料，以便两种类型的薄膜层交替沉 积在所述衬底上。代替遮光器，所述衬底也可以固定在一个以预定速 度移动衬底的固定件中。通过将衬底在加热的原材料上面通过，所述 薄膜层交替沉积。由于这些沉积设备为了获得多个薄膜需要单个真空 处理，因此可以提高生产率。
在形状双折射层中每个薄膜的厚度如下设计。如出版物 Kogaku(Japanese Journal of Optics)，第27卷，第1号(1998)，第 12-17页中所描述的，双折射Δn被定义为两个具有不同折射率的薄 膜的光学厚度比。双折射Δn变得和折射率的差一样大。延迟d·Δn 被定义为双折射层的双折射Δn与总物理厚度d之乘积。选择用于薄 膜层的材料，以便获得较大的双折射Δn。然后，根据所需的延迟d·Δ n确定总的物理厚度。考虑总的物理厚度d和上述每层的光学厚度的 数值情况来确定沉积薄膜层的数量。
至于具有多个介电层的光学器件的例子，分色镜、偏振光分束器、 颜色合成棱镜以及防反射涂层都是公知的。每层的光学厚度被设计成 是λ/4的整数倍，以便光学器件表现出光学干涉。另一方面，在形 状双折射层中每个薄膜的光学厚度小于λ/4。此外，每个薄膜的光学 厚度被控制以获得所需的双折射Δn。因此，很清楚的是，在延迟补 偿器中形状双折射层表现出与其他光学器件不同的光学功能。
如上所述，形状双折射层30的延迟d·Δn被定义为双折射层的 双折射Δn与总的物理厚度d的乘积。形状双折射层30的第一个样 品通过在玻璃衬底上交替沉积40个TiO2层和40个SiO2层来制备。 每层的物理厚度为15nm。椭偏光谱仪被用于测量形状双折射层的第 一个样品的延迟。第一个样品表现出具有208nm延迟的负双折射，并 且该样品的普通光轴(不具有光学各向异性的轴)垂直于衬底。因此， 形状双折射层的第一个样品用作负双折射c片。
计算形状双折射层的理论延迟。TiO2层和SiO2层的理论折射率分 别为2.35和1.47。所计算的理论延迟为218nm，这基本上与测量值 相同。测量值与计算值之间的差在误差范围之内。图4中所示的光谱 透射率曲线表示形状双折射层在可视范围内是透明的。在所述图表中 波纹表示来自玻璃衬底与来自最上面的薄膜的反射光之间的干涉。通 过在玻璃衬底和最上面的薄膜两侧提供防反射涂层，可以消除所述波 纹。
与没有形状双折射层的对比度(200∶1)相比，具有第一个样品 的液晶投影仪的最亮像素与最暗像素之间的对比度被提高到400∶1。 此外，即使是在使用5000个小时之后，形状双折射层也不会退色。
所述形状双折射层不仅可以应用到透射液晶投影仪，还可以应用 到反射液晶投影仪。如图5所示，来自光源12的入射光通过阻断滤 波器13被变成白光。包括红、绿和蓝光的白光经过聚焦光学系统35 并且到达分色镜36，在该分色镜上仅反射红光。在该分色镜36和反 射镜37上被反射的红光进入具有偏振面38a的偏振光分束器38。偏 振面38a改变红色入射光的s偏振分量为线性偏振光，并面向延迟补 偿器40R和反射液晶器件41R反射线性偏振光。
类似地，通过分色镜36的绿光被反射在分色镜42上射向偏振光 分束器43，从而线性偏振绿光进入延迟补偿器40G和反射液晶器件 41G。通过分色镜42的蓝光进入偏振光分束器44，其中线性偏振蓝 光被反射而射向延迟补偿器40B和反射液晶器件41B。
反射液晶器件41R具有配置在偏振光分束器38相对侧的TN液晶 层和反射镜。通过液晶器件41R的偏振光在反射镜上被反射，从而使 偏振光通过液晶器件41R两次。从液晶器件41R发射的偏振光经过延 迟补偿器40R并进入偏振光分束器38。由于红光的p偏振分量相对 偏振面38a被线性偏振，线性偏振光可以通过偏振面38a并进入颜色 重组棱镜24。当施加电压到液晶器件41R中的像素时，液晶分子改 变线性偏振光的偏振方向，以便降低屏幕3上像素图像的密度。颜色 重组棱镜24和投影透镜系统25的结构和功能与透射液晶投影仪中的 重组棱镜和投影透镜系统的结构和功能相同。
形状双折射层的第二个样品通过在玻璃衬底上交替沉积20个 TiO2层和20个SiO2层来形成。每层的物理厚度为15nm。第二个样品 的测量延迟为102nm，这基本上与理论延迟(107nm)相同。与没有 形状双折射层的投影仪的对比度(150∶1)相比，在具有第一个样品 的反射液晶投影仪的最亮像素与最暗像素之间的对比度被提高到 300∶1。
延迟补偿器40R表现出补偿由液晶器件41R中的液晶分子的双折 射效应所引起的延迟的功能。在确定延迟补偿器40R的延迟时，有必 要考虑偏振光穿过液晶器件41R两次。当反射液晶器件位于离轴位置 (入射光轴与发射光轴为不同的位置)时，延迟补偿器46可以与液 晶器件45平行，如图6A所示。
延迟补偿器46必须位于偏振器47的发射平面与检偏器48的入 射平面之间的光路上。由于延迟补偿器46的位置改变使得光学特性 实质上没有差别，因此延迟补偿器46既可以位于液晶器件45的入射 光轴上也可以位于发射光轴上。这样，延迟补偿器46的位置在考虑 其他设计需求的情况下而确定。
延迟补偿器49可以位于偏振器47与液晶器件45之间，如图6B 所示，或者位于液晶器件45与检偏器48之间。此外，可以在液晶器 件45的入射光轴与发射光轴上提供一对延迟补偿器。在那种情况下， 有必要设计每个延迟补偿器的光学特性，以便这对延迟补偿器整体表 现出所需的延迟。
透射液晶器件可以与若干个微型透镜50结合以提高像素的孔径 比，如图7所示。在起偏振片53上提供若干个微型透镜50作为偏振 器。每个微型透镜50对应于通过像素电极52中的黑底部分62与其 它像素分开的各个像素。通过微型透镜50的会聚入射光经过起偏振 片53、第一延迟补偿器54、玻璃衬底55、基电极56和调准薄膜57 到达液晶层58。入射光的偏振状态通过液晶层58根据像素密度而改 变。偏振光穿过调准薄膜59、像素电极52、玻璃衬底51和第二延迟 补偿器60。然后，偏振光经过作为检偏器的起偏振片61向外部发射， 其中偏振光的强度根据像素密度降低。
在该实施例中，在液晶器件的入射平面侧的第一延迟补偿器54 对于补偿通过微型透镜50斜着进入液晶器件的入射光的延迟来说是 有效的。此外，可以在发射平面侧提供第二延迟补偿器60，如图7 所示。在此实施例中第一和第二延迟补偿器54、60整体上表现出所 需的延迟。应当注意，在图2、5所示的实施例中的液晶器件可以与 入射平面侧的微型透镜和延迟补偿器结合。
在上述实施例中，形状双折射层与液晶器件分离，但是也可以将 形状双折射层加入液晶器件中。下面将描述具有形状双折射层的液晶 器件的实施例。
在图8中示出了一个具有这种用于红、绿和蓝的液晶器件111R、 111G和111B的液晶投影仪的实施例。图8中所示的液晶投影仪具有 与图2所示的实施例相同的结构，除了液晶器件111R、111G和111B 之外。此外，图8所示的实施例不包括延迟补偿器27R，27G和27B， 因为液晶器件111R、111G和111B包含形状双折射层。因此，为了 简化，省略对共有部件的详细说明。
如图9所示，液晶器件111R为TFT(薄膜晶体管)有源矩阵类 型。液晶器件111R包含被一对衬底131、132夹在中间的液晶层130。 单个像素的像素电极侧衬底131包括一个作为衬底主体的透明玻璃 片133、薄膜晶体管134、透明像素电极135和定向薄膜136。多对 薄膜晶体管134和像素电极135配置在矩阵内玻璃片133的内表面 133a上。一对薄膜晶体管134和像素电极135对应于一个红色像素。 内表面133a上的定向薄膜136覆盖若干对薄膜晶体管134和像素电 极135。应当注意，分离像素电极135的黑底部分在像素电极侧衬底 131中形成，以便像素图像的对比度提高。
公共电极侧衬底132包括作为衬底主体的透明玻璃片137、形状 双折射层138、透明公共电极139、定向薄膜140，它们按照所列的 顺序形成在玻璃衬底137上。
液晶器件111R具有与传统的TFT型液晶器件具有相同的结构， 除了形状双折射层138之外。也就是说，薄膜晶体管134控制施加到 像素电极135与公共电极139之间的液晶层130的电压，以便通过起 偏振片28R的发射光的光量根据液晶层130中液晶分子的取向的变化 而变化。因此，可以控制像素图像的密度。
形状双折射层138可以具有与用作第一实施例中的延迟补偿器 27R的形状双折射层相同的结构。
椭圆偏振光的延迟根据相对液晶层130的入射角而改变。由于双 折射层138补偿在延迟中的差异，因此具有较大孔径值的光学系统可 以与该液晶器件结合，而不会引起图像对比度的降低。这样，可以减 少液晶器件的尺寸，以采用较大直径的透镜元件来提高入射光的效 率，缩短光学路径长度，以减少液晶投影仪的尺寸，使光学系统小一 些以减少制造成本等等。
上述形状双折射层138可以设置在玻璃片137的内表面137a、 外表面(与内表面137a相对)或像素电极侧衬底131上。形状双折 射层138可以形成在所述电极与定向薄膜之间。此外，可以在玻璃片 的两个表面上形成一对形状双折射层138。
衬底131、132的结构并不局限于图9中所述的结构。附图10A -10C以及附图11A-11C都是像素电极侧衬底131的结构的例子。 附图12A-12C以及附图13A-13C是公共电极侧衬底132的结构的例 子。对于基本上与图9中的元件相同的元件使用相同的参考标记，以 便省略对那些元件的说明。应当注意，所述衬底的每个例子具有唯一 的类型名，以便简化说明。
在附图10A中，类型为A0的像素电极侧衬底131具有与图9中 所示相同的结构。由于类型为A0的像素电极侧衬底131没有形状双 折射层，因此具有形状双折射层138的公共电极侧衬底132与类型为 A0的衬底131结合。类型为A1的像素电极侧衬底131，如图10B 所示，在玻璃片133的内表面133a上具有形状双折射层138。薄膜 晶体管134、像素电极135以及定向薄膜136以所列顺序形成在形状 双折射层138上。如图10C所示，类型为A2的像素电极侧衬底131 在玻璃片133的外表面133b上具有形状双折射层138。在玻璃片133 的内表面133a上，薄膜晶体管134、像素电极135和定向薄膜136 以此顺序形成。
类型为A3的像素电极侧衬底131，如图11A所示，在像素电极 135与定向薄膜136之间具有形状双折射层138。类型为A3的像素 电极侧衬底131通过在薄膜晶体管134和像素电极135上形成透明的 平面层141(例如SiO2层)，然后通过在该平面层141上形成形状双 折射层138来制备。定向薄膜136形成在形状双折射层138上。如图 11B所示，类型为A4的像素电极侧衬底131在玻璃片133的两个表 面上具有两个形状双折射层138。如图11C所示，类型为A5的像素 电极侧衬底131在玻璃片133的内表面侧具有与类型为A3的衬底(参 见附图11A)相同的结构。此外，形状双折射层138形成在玻璃片 133的外表面133b及其内表面侧上。
为了控制每个像素的密度，必须使这些像素电极135相互电绝 缘。由介电材料(绝缘体)构成的形状双折射层138不连接分开的像 素电极135，即使形状双折射层138与像素电极135接触。
如图12A所示，类型为B0的公共电极侧衬底132不具有形状双 折射，因此具有形状双折射层138的像素电极侧衬底131与类型为 B0的公共电极侧衬底132结合。如图12B所示，类型为B1的公共 电极侧衬底132具有与图12A所示相同的结构，并且在玻璃片137 的内表面137a上具有形状双折射层138。公共电极139和定向薄膜 140形成在形状双折射层138上。如图12C所示，类型为B2的公共 电极侧衬底132在玻璃片137的内表面侧具有公共电极139和定向薄 膜140，并且在外表面137b上具有形状双折射层138。
在附图13A中，类型为B3的公共电极侧衬底132在公共电极 139与定向薄膜140之间具有形状双折射层138。在玻璃片137的内 表面137a上形成公共电极139之后，在公共电极139上形成双折射 层138。然后，在形状双折射层138上形成定向薄膜140。类型为B4 的公共电极侧衬底132，如图13B所示，在内表面137a和外表面137b 上都具有形状双折射层138。公共电极139和定向薄膜140形成在内 表面137a侧。如图13C所示，类型为B5的公共电极侧衬底132在 玻璃片137的内表面侧具有公共电极139、形状双折射层138和定向 薄膜140。此外，类型为B5的公共电极侧衬底132在外表面137b上 具有形状双折射层138。
除了上述层之外，衬底131、132也可以具有诸如黑底部分和绝 缘层的其他层。例如，在薄膜晶体管134与像素电极135之间形成绝 缘层142，如图14所示。可以在具有绝缘层142的衬底上形成形状 双折射层。
衬底131、132的组合的特性(制造成本、弯曲调整、延迟补偿) 在表1中示出。
表1   组合编号   结构双折射层的数量   成本   弯曲调整  延迟补偿   公共侧   像素侧   1   1   0   1   难  良好   2   2   0   2   良好  良好   3   0   1   1   难  良好   4   1   1   2   可以接受的  很好   5   2   1   3   良好  很好   6   0   2   2   良好  良好   7   1   2   3   良好  很好   8   2   2   4   很好  很好
上述表1中，在公共侧一栏中的数字“2”表示在公共电极侧的 玻璃片的两个表面上形成形状双折射层。在公共侧一栏中的数字“1” 表示在玻璃片的一个表面上形成形状双折射。在公共侧一栏中的数字 “0”表示在玻璃片上不形成形状双折射。“成本”栏中的值随着制造 成本的增加而增加。“弯曲调整”栏表示调整衬底131、132弯曲的程 度。衬底131、132的弯曲按照“好”、“良好”、“可以接受的”和“难” 的等级进行精确地调整。
对应于组合编号的衬底131、132的组合在表2中示出。表2中 的数字表示表1中所示的组合编号。
表2         公共电极侧衬底的类型  B0  B1  B2  B3  B4  B5 像素电 极侧衬 底的类 型  A0  -  1  1  1  2  2  A1  3  4  4  4  5  5  A2  3  4  4  4  5  5  A3  3  4  4  4  5  5  A4  6  7  7  7  8  8  A5  6  7  7  7  8  8
如果用于投影仪的液晶器件的温度通过照射强光而增加，则对比 度的特性由于液晶分子的热膨胀和双折射的偏离而改变。如果衬底在 高温下极大地弯曲，则在液晶层上的对比度的均匀性被扰乱。因此， 有必要考虑在热起伏的情况下控制用于液晶投影仪的衬底的弯曲。
参考表1发现，在衬底131、132上至少有一个形状双折射层在 延迟补偿方面是优选的。为了控制衬底131、132的弯曲，最好在至 少一个衬底的两个表面上提供两个形状双折射层。更可取的是，在每 个衬底的两个表面上都设置形状双折射层。
类型为A3、A5的像素电极侧衬底131和类型为B3、B5的公共 电极侧衬底132在电极和玻璃片(衬底主体)之间具有形状双折射层 138。这种配置在使电极绝缘方面是较好的，因为形状双折射层138 是由介电材料构成的。但是，具有这种配置的衬底具有以下缺点。
为了连接电极到外部电子电路，液晶器件必须在图像显示区之外 具有一个电极区，其中电极不被形状双折射层覆盖。通过光刻法和蚀 刻处理以部分地消除形状双折射层，或者通过掩膜沉积处理而不在所 述区域中形成形状双折射层来暴露电极，可以形成这种电极区。但是， 通过光刻法和蚀刻处理形成电极区是很困难的，因为在形状双折射层 中的两类薄膜具有不同的蚀刻特性。在通过掩膜沉积处理形成电极区 时，沉积条件需要根据液晶器件的设计而改变。此外，在像素电极与 公共电极之间形成形状双折射层的情况下，有必要考虑施加到液晶层 中的电压根据形状双折射的电容而变化。
类型为A1、A3、A4、A5的像素电极侧衬底131和类型为B1、 B3、B4、B5的衬底在玻璃片的内表面上具有形状双折射层138。在 那种情况下，形状双折射层138的两个表面与具有高于空气的折射率 的材料接触，这样在界面处的反射比高于在空气与延迟补偿器之间的 界面处的反射比。因此，在内表面上的形状双折射层138在消除防反 射层和防止形状双折射层138上的裂缝之方面具有优势。
当类型为A2、A4、A5的像素电极侧衬底131和类型为B2、B4、 B5的衬底用于液晶器件时，在玻璃片的外表面上的形状双折射层138 可以用透明保护层覆盖。
由于液晶器件在玻璃片(衬底)上具有形状双折射层，液晶层与 形状双折射层的入射光的入射角变为相同。因此，与其中形状双折射 层和衬底相分离的液晶器件相比，可以有效地补偿延迟。此外，与由 聚合物构成的延迟补偿器相比，可以较容易地形成对液晶器件中的热 或紫外线光具有高阻抗的无机形状双折射层。
液晶器件可以与微型透镜阵列组合。在图15所示的一个例子中， 液晶器件在入射平面侧具有一个微型透镜阵列150。微型透镜阵列 150由多个微型透镜150a构成，每个微型透镜对应一个像素。微型 透镜150a可以通过利用离子交换技术在玻璃片中产生折射率分布而 形成。或者，微型透镜150a通过改变玻璃或树脂板的形状为透镜元 件来制备。微型透镜150a可以使入射光聚集，以补偿由划分像素电 极135的黑底部分(未示出)引起的孔径比的降低。
由微型透镜矩阵150聚集的线性偏振入射光经过玻璃片137、形 状双折射层138、公共电极139和定向薄膜140到达液晶层130。然 后，线性偏振光穿过定向薄膜136、像素电极135、玻璃片133和作 为检偏器的起偏振片。在此例中，由于入射光斜着通过微型透镜150a 进入液晶层130，因此补偿斜向入射光的延迟的形状双折射层138有 效地与微型透镜阵列150组合。
附图16表示与微型透镜阵列150组合的液晶器件的另一个例子。 在此例中，形状双折射层138形成在玻璃片137的外表面137b上。 微型透镜阵列150可以与类型为A0-A5的衬底131和类型为B0-B5 的衬底132组合。
透射液晶器件的一个样品是通过以下过程制备的。首先，通过利 用电子束沉积方法将46个TiO2层和46个SiO2层交替沉积在玻璃衬 底上，形成形状双折射层。每层的厚度为15nm。玻璃片的厚度为 0.7nm。形状双折射层具有1.38μm的厚度，并且对具有550nm波长 的采样光表现出具有310nm延迟的负双折射。在形状双折射层上沉 积厚度为100nm的ITO(氧化铟锡)层，以形成公共电极。然后， 通过研磨用于定向薄膜的聚酰亚胺树脂薄膜的表面，形成ITO层上 的定向薄膜，以便制备出公共电极侧衬底。
通过和像素电极阵列形成玻璃片(厚度为0.7mm)上的研磨的聚 酰亚胺定向薄膜，制备像素电极侧衬底。公共电极侧衬底与像素电极 侧衬底粘合，使得定向薄膜的研磨方向相互垂直。最后，在衬底之间 注入具有正介电各向异性的液晶，并且将微型透镜附着在衬底的外表 面上。从而产生TN型液晶器件。
与没有形状双折射层的液晶器件的对比度(350∶1)相比，该反 射液晶器件的最亮像素与最暗像素之间的对比度已提高到550∶1。
形状双折射层不仅可以应用到透射液晶投影仪中，而且可以应用 到反射液晶投影仪中。如图17所示，来自光源12的入射光通过阻断 滤波器13变成白光。包括红、绿和蓝光的白光通过聚焦光学系统35， 到达在其上仅反射红光的分色镜36。在该分色镜36和反射镜37上 反射的红光进入具有偏振面38a的偏振光分束器38。偏振面38a改 变红色入射光的S-偏振分量为线性偏振光，并且向反射液晶器件 161R反射线性偏振光。应当注意，相同的参考标记用于基本上与上 述实施例中相同的元件。
类似地，通过分色镜36的绿光被反射在分色镜42上，射向偏振 光分束器43，以便线性偏振绿光进入反射液晶器件161G。通过分色 镜42的蓝光进入偏振光分束器44，其中线性偏振蓝光被反射到反射 液晶器件161B。
在附图18中，反射液晶器件161R的一个例子在一对衬底132、 165之间具有液晶层130。类型为B1的公共电极侧衬底132与以上 所述的相同。类型为C0的衬底165包括作为衬底主体的不透明硅层 166、每个像素的像素电路167和像素电极168。在硅层166中形成 的像素电路电连接到像素电极168以控制液晶层130的电压。像素电 极168由具有高反射率的材料例如铝和银构成，以反射通过液晶层 130的光。绝缘层169形成在硅层166和像素电极168之间。在像素 电极168上设置定向薄膜171以覆盖像素电极168和绝缘层169。
通过形状双折射层138和液晶层130的偏振光被反射在像素电极 169上。当再次通过液晶层130和形状双折射层138之后，偏振光进 入偏振光分束器38。由于红光的p偏振分量相对偏振面38a被线性 偏振，线性偏振光可以通过偏振面38a并进入颜色重组棱镜24。当 施加电压到液晶器件41R中的像素时，液晶分子改变线性偏振光的 偏振方向，以便降低屏幕3上像素图像的密度。颜色重组棱镜24和 投影透镜系统25的结构和功能与透射液晶投影仪中的相同。
在确定形状双折射层138的延迟特性时，有必要考虑到偏振光通 过形状双折射层138两次。反射液晶器件可以位于离轴位置(例如参 见图6A、6B)。
像素电极侧的衬底165可以具有形状双折射层138，如图19所 示。在该例中，形状双折射层138形成在像素电极168与定向薄膜 171之间。也可以将类型为C0，C1的衬底165(参见附图18，19)与 类型为B0-B5的公共电极侧衬底132组合。应当注意，附图18中的 衬底165没有与类型为B0的公共电极侧衬底132组合，因为该组合 不包括形状双折射层138。
像素电极侧衬底165与公共电极侧衬底132的组合的特性(制造 成本、弯曲调整、延迟补偿)在表3中示出。应当注意，“类型C0” 指示图18中所示的像素电极侧衬底165，并且“类型C1”指示图19 中所示的像素电极侧衬底165。
表3  组合  编号   结构双折射层的   数量   成本  弯曲调整   延迟补偿  公共侧  像素侧   1   1   0     1   难   合格/差   2   2   0     2   良好   合格   3   0   1     1   难   合格/差   4   1   1     2   可以接受   良好   5   2   1     3   良好   合格
应当注意，在“延迟补偿”栏中的估值按照“良好”、“合格”和 “差”分类。对应于组合编号的衬底131、132的组合在表4中示出。 表2中的数字表示表1中所示的组合编号。
表4          公共电极侧衬底的类型   B0   B1   B2   B3   B4   B5   像素电极侧   衬底的类型   A0   -   1   1   1   2   2   A1   3   4   4   4   5   5
反射液晶器件可以通过将一个反射片附着在透射液晶器件的一 侧上来制备。
反射液晶器件的样品通过以下方式制造。首先，通过和像素电极 形成在硅层上垂直取向的研磨聚酰亚胺定向薄膜，制备像素电极侧衬 底。然后，通过在玻璃片上形成形状双折射层和ITO(氧化锡铟)层 作为公共衬底，并在ITO层上形成垂直取向的研磨聚酰亚胺定向薄 膜，制备公共电极侧衬底。玻璃片、形状双折射层及ITO层的物理 特性与透射液晶器件的相同。公共电极侧衬底与像素电极侧衬底粘 合，以便定向薄膜的研磨方向相互垂直。最后，在衬底之间注入具有 负介电各向异性的液晶，以便生成VA(垂直对准)型的液晶器件。
与没有形状双折射层的液晶器件的对比度(500∶1)相比，该反 射液晶器件的最亮像素与最暗像素之间的对比度已提高到900∶1。
在本发明中的液晶投影仪可以具有各种类型的无机形状双折射 层作为延迟补偿器、或除了多个薄膜外的形状双折射层(参见附图 3)。图3所示的延迟补偿器是一个负单轴双折射c片的例子，其光学 全向轴垂直于玻璃衬底的表面。如图20所示，可以使用具有多个配 置在玻璃衬底66顶面上的透明隆起部67的形状双折射层70(在反 射液晶器件中的不透明硅衬底)。每个隆起部67具有基本上为矩形的 平行六面体形状。
厚度d、高度h和相邻两个隆起部67之间的间隙比入射光的波 长λ足够小。例如，形状双折射层70的光学厚度优选从λ/100至λ /5，更优选是从λ/50至λ/5，尤其是从λ/30到λ/10。不具有光学 各向异性的光学各向同性轴70a在平行于玻璃衬底66的顶面66a的 方向上扩展。形状双折射层70表现光学特性为a片，并且其定位使 得玻璃片66的顶面66a垂直于照射轴或投影轴。隆起部67的配置使 得折射率按照空气和隆起部67沿着平行于光学各向同性轴70a的方 向分布。
在玻璃衬底上的隆起部可以不与玻璃衬底垂直。附图21表示一 个形状双折射层72的例子，具有的多个透明隆起部67倾斜于玻璃衬 底66的顶面66a。光学各向同性轴72a在倾斜于玻璃衬底66的顶面 66a的方向上延伸。隆起部71的配置产生垂直于照射轴或投影轴的 平面内的按照空气和隆起部71的一维折射率分布。形状双折射层72 的定位使得玻璃片66的顶面66a垂直于照射轴或投影轴。因此，形 状双折射层72表现出负单轴双折射o-片的光学特性，且其光学各向 同性轴倾斜于玻璃衬底66的顶面66a。
图20、21所示的隆起部67、71通过光刻法和蚀刻处理形成。应 当注意，隆起部67、71的高度h相对于其宽度d的纵横比需要足够 大，以便获得负单轴双折射效应。如果所述纵横比不足够大，则形状 双折射层70、72变成双轴双折射体，其中在折射率椭圆体中的折射 率(nx，ny，nz)完全不同。
当隆起部的纵横比极其小时，形状双折射层75变成正双折射a 片，如图22所示。形状双折射层75在玻璃衬底66上具有以某一间 隔成直线排列的若干个透明介电隆起部74。隆起部74的宽度W、高 度h和间隔比入射光的波长小很多，正如在以上实施例中所描述的。 形状双折射层75的延迟值是隆起部74的高度h与折射率的乘积。光 学各向同性轴75a在平行于隆起部74的方向上延伸。隆起部74的配 置使得一维折射率按照空气和隆起部在垂直于照射轴或投影轴的平 面内的分布。形状双折射层75的定位使得玻璃片66的顶面66a垂直 于照射轴或投影轴。
当隆起部74的高度h变得大于入射光的波长时，形状双折射层 75变成双轴的双折射体。如果隆起部74的高度变成比该波长大得多， 则形状双折射层75表现出负双折射c片的光学特性。应当注意，两 个隆起部74之间的间隙可以用具有与隆起部74不同折射率的介电材 料填充。
可以使用正双折射c片作为本发明的形状双折射层。如图23所 示，形状双折射层77在玻璃衬底66上具有以某些间隔排列的若干个 透明介电支柱76。每个介电支柱76具有基本上为矩形的平行六面体 形状。介电支柱76的大小和间隔比入射光的波长小得多。形状双折 射层77的定位使得玻璃片66的顶面66a垂直于照射轴或投影轴。光 学各向同性轴77a垂直于玻璃衬底66的顶面66a。支柱76的配置使 得二维折射率按照空气和支柱在垂直于照射轴或投影轴的平面内分 布。支柱76通过光刻法和蚀刻处理形成。应当注意，支柱76之间的 间隙可以用具有与支柱76不同折射率的介电材料填充。
附图24示出了正双折射o片作为形状双折射层80的另一个例 子，其中在玻璃衬底66上有规则地配置若干个透明介电支柱81。介 电支柱81以预定角度倾斜于玻璃衬底66。介电支柱81的大小和间 隔比入射光的波长小得多。支柱81之间的间隙可以用具有与支柱8 不同折射率的介电材料填充。形状双折射层80的光轴80a倾斜于玻 璃衬底66的顶面66a。可以通过光刻法和蚀刻处理形成所述支柱81。
正双折射o片可以通过在玻璃衬底66上斜向沉积一种介电材料 来形成(参见附图25)，正如在美国专利No.5638197中所述的。应 当注意，附图25中的斜线并不描述相邻薄膜层84之间的边界。形状 双折射层83的定位使得玻璃片66的顶面66a垂直于照射轴或投影 轴。因此，斜的薄膜层84表现为正双折射o片。
在上述实施例中，无机延迟补偿器的定位使得玻璃衬底66的顶 面66a垂直于照射轴或投影轴。延迟补偿器可以倾斜于照射轴或投影 轴，以便更加有效地补偿延迟。偏向角度优选小于或等于45°，更优 选的是小于或等于10°，最优选的是小于或等于5°。也可以提供多于 1个、少于11个的延迟补偿器。优选的是，组合多于1个、少于5 个的延迟补偿器。多个延迟补偿器可以倾斜于照射轴或投影轴。此外， 延迟补偿器的偏向角度可以相互不同。
多个不同类型的延迟补偿器可以被组合。例如，负c片、负o片 和正a片的组合使得可以更有效地补偿延迟，以便提高屏幕上的图像 对比度。延迟补偿器可以应用到除透射TN型之外的其它类型的液晶 器件中。液晶器件的例子有反射TN型、ECB(电控双折射)型、VA (垂直对准)型、OBC(光学补偿弯曲)型和FLC(铁液晶)型。 本发明还可应用于例如离轴型和微型透镜型的液晶投影仪中，其中入 射光斜着进入液晶器件。
在通过沉积或喷涂由薄膜构成延迟补偿器时，衬底可以固定在光 学部件(例如照明或投影透镜系统的透镜元件)以及液晶器件的玻璃 衬底上。在这种光学部件上形成用于延迟补偿器的薄膜在减少光学部 件和调节光学部件的位置和角度的调准过程方面是有效的。
延迟补偿器可以附加在液晶器件衬底的内表面上或在外表面上。 为了减少空气与延迟补偿器之间的分界面反射，延迟补偿器最好附加 在内表面上。这种延迟补偿器的配置可以有效地减少漏光或图像质量 的退化。
相位补偿器可以附加到具有施加电压的像素电极的有源侧衬底 或具有公共电极的相对侧衬底。如果需要，最好在相位补偿器的一侧 或两侧上具有防反射涂层。在形成薄膜为延迟补偿器时，作为防反射 涂层的干涉薄膜很容易形成。
在薄膜型延迟补偿器中每层的厚度不必相同。液晶投影仪中的延 迟补偿器并不局限于具有交替沉积在衬底上的两种薄膜的补偿器。例 如，也可以沉积具有不同折射率的两种以上的薄膜。厚度和沉积顺序 可以考虑制作方便性、每层中的内应力、薄膜折射率的波长相关性等 等来确定。也可以组合上述形状双折射层和具有聚合物薄膜的延迟补 偿片作为衬底。
工业实用性
本发明可以应用于将图像投影到屏幕上的液晶投影仪。