反射型液晶显示装置及使用该装置的投影仪.pdf

提供了一种反射型液晶显示装置及使用该装置的投影仪。该反射型液晶显示装置包括具有反射电极的第一基板，具有透明电极的第二基板，设置在第一基板和第二基板上彼此相对地面对的第一和第二排列层，置于第一排列层和第二排列层之间以在二者之间形成预定的单元间隙的间隔件，以及注入到该单元间隙中的垂直排列的液晶，该单元间隙不超过1.0μm，该液晶的介电各向异性是负值，且该液晶的折射率各向异性不小于0.14。该投影仪包括光源、颜色分离单元、用于选择性地反射由颜色分离单元分离出的各色光束并依次将其入射以形成图像的反射型液晶显示装置，置于光源和反射型液晶显示装置之间的光路上的光路改变单元，及投影透镜单元。

1.  一种反射型液晶显示装置，包括：
具有反射电极的第一基板；
具有透明电极的第二基板；
设置在第二基板上彼此相对地面对的第一和第二排列层；
置于第一排列层和第二排列层之间以在二者之间形成预定的单元间隙(d)的间隔件；以及
注入到该单元间隙中的垂直排列的液晶，该单元间隙(d)不超过1.0μm，液晶的介电各向异性(Δε)是负值，且该液晶的折射率各向异性(Δn)不小于0.14。

2.  如权利要求1所述的反射型液晶显示装置，其中第一和第二排列层的预倾角(α)满足关系式：80°≤α≤90°。

3.  如权利要求2所述的反射型液晶显示装置，其中该间隔件由二氧化硅制成。

4.  如权利要求1所述的反射型液晶显示装置，其中该间隔件由二氧化硅制成。

5.  如权利要求1到4中任一项所述的反射型液晶显示装置，其中第一和第二排列层是二氧化硅层或者光排列层。

6.  一种投影仪，包括：
光源，用于产生光并将所产生的光向一个方向引导照射；
颜色分离单元，用于将从光源照射的光分离出颜色，并将对应于各分离的颜色的光束依次传播；
反射型液晶显示装置，用于选择性地反射由该颜色分离单元分离出的各个颜色的光束，并依次使其入射，以形成图像，
该反射型液晶显示装置包括：具有反射电极的第一基板，具有透明电极的第二基板，设置在第一基板和第二基板上彼此相对地面对的第一和第二排列层，置于第一排列层和第二排列层之间以在二者之间形成预定的单元间隙(d)的间隔件，以及注入到该单元间隙中的垂直排列的液晶，该单元间隙(d)不超过1.0μm，该液晶的介电各向异性(Δε)是负值，并且该液晶的折射率各向异性(Δn)不小于0.14；
光路改变单元，其置于光源和反射型液晶显示装置之间的光路上，用于改变从光源入射的光的光路，使其经由该反射型液晶显示装置被导向屏幕；以及
投影透镜单元，用于将由反射型液晶显示装置形成的图像向屏幕投影。

7.  如权利要求6所述的投影仪，其中第一和第二排列层的预倾角(α)满足关系式80°≤α≤90°。

8.  如权利要求7所述的投影仪，其中该间隔件由二氧化硅制成。

9.  如权利要求6所述的投影仪，其中该间隔件由二氧化硅制成。

10.  如权利要求6到9任一项所述的投影仪，其中该第一和第二排列层是二氧化硅层或者光排列层。

11.  如权利要求6到9任一项所述的投影仪，其中该颜色分离单元包括：
多个滤色器，用于使从光源入射的白光光束中具有预定波长的光束选择性地通过，该多个滤色器中的每个都具有依序可转动地安装在光路上的旋色片；以及
转动旋色片的驱动器。

12.  如权利要求6到9任一项所述的投影仪，其中该光路改变单元是偏振光分束器，用于根据偏振方向透射或者反射入射光。

13.  如权利要求6到9任一项所述的投影仪，还包括设置于光源和光路改变单元之间的光路上的光照均匀单元，从而使从光源照射出的光均匀。

反射型液晶显示装置及使用该装置的投影仪
技术领域
本发明涉及一种反射型液晶显示装置及使用该装置的投影仪，更具体地，涉及一种具有垂直排列结构和更短响应时间速度的反射型液晶显示装置及使用该装置的投影仪。
背景技术
通常，根据成像方法，将用于投影电视或者顶置(head mounted)装置(HMD)中的微显示器分为高温多硅(HTPS)型、数字光处理(DLP)型、硅上液晶(LCoS)型。
LCoS型微显示器利用反射型液晶显示装置来显示图像，并实现高清晰度以及低成本。因而，LCoS型微显示装置作为最具竞争力的下一代微显示器而受到关注。
根据所使用的液晶面板的数量，进一步地把LCoS型投影电视分为三板型和单板型。
三板型投影仪使用三种反射型液晶显示装置分别单独形成红(R)、绿(G)、蓝(B)图像来实现彩色图像。该三板型投影仪的优点是，它能够采用具有约为15ms的较慢响应时间的反射型液晶显示装置来实现。这里所使用的术语“响应时间”指的是，液晶的排列状态根据控制信号变化恢复到其初始的排列状态所花的时间。但是，相对于单板型投影仪，三板型投影仪的使用存在包括配置复杂和成本增加在内的几个缺点。
单板型投影仪通过利用单个反射型液晶显示装置来实现彩色图像，这能够使光学结构和配置简单并使成本降低。根据这种类型，在整个时间内顺序驱动红(R)，绿(G)，蓝(B)图像显示与三板型投影仪相比需要更短的响应时间。也就是说，为了避免色彩中断，利用单板型来实现3色所需要的响应时间应该少于约1ms。与单面板型的使用有关的另一个要求是高的对比度(C/R)。
能够具有小于1ms的快速响应时间的液晶显示装置中的一种是铁电液晶显示器(FLCD)。但是该FLCD有几个局限性，即，难以获得理想的对比度(C/R)和其性能容易劣化。
为了确保高的C/R，传统上已经有人提出采用垂直排列结构的反射型液晶显示装置，如在2003年4月9日公开的标题为“Reflecting Type LiquidCrystal Display Device，Display Apparatus，Projecting Optical System，andProiecting Display System”的日本专利公开No.2003-107482所公开的。
所公开的液晶显示装置具有以下特征，厚度不超过2μm的垂直排列的液晶层，以及垂直排列的液晶材料的折射率各向异性(Δn)大于0.1，这使得液晶的透射率的需求容易满足5到6伏饱和电压这样的低电压显示(V_sat)。
具有这种垂直排列结构的反射型液晶显示装置可获得的最快的响应时间约为1.9ms，同时保持不超过6V的饱和电压。
因此，这种传统的反射型液晶显示装置并不适合用于单板型投影仪中。
发明内容
本发明提供一种具有改进的垂直排列结构的反射型液晶显示装置，它具有小于1ms的快速响应时间以及高的对比度，并提供使用该装置的单板型投影仪。
根据本发明的一方面，提供了一种反射型液晶显示装置，包括：具有反射电极的第一基板；具有透明电极的第二基板；设置在第一和第二基板上彼此相对地面对的第一和第二排列层；置于第一和第二排列层之间以在二者之间形成预定的单元间隙(d)的间隔件；以及注入到该单元间隙中的垂直排列的液晶，该单元间隙(d)不超过1.0μm，该液晶的介电各向异性(dielectric anisotropy)(Δε)是负值，以及液晶的折射率各向异性(refractiveindex anisotropy)(Δn)不小于0.14。
根据本发明的另一方面，提供了一种投影仪包括：光源，用于产生光并将所产生的光向一个方向引导照射；颜色分离单元，用于将从光源照射的光分离出颜色，并使光束对应于分离的颜色以依次传播；反射型液晶显示装置，用于选择性地反射由颜色分离单元分离出的各个颜色的光束，并依次入射以形成图像，该反射型液晶显示装置包括具有反射电极的第一基板，具有透明电极的第二基板，设置在第一和第二基板上彼此相对的第一和第二排列层，置于第一排列层和第二排列层之间以在二者之间形成预定的单元间隙(d)的间隔件，以及注入到该单元间隙中地垂直排列的液晶，该单元间隙(d)不超过1.0μm，液晶的介电各向异性(Δε)是负值，液晶的折射率各向异性(Δn)不小于0.14；光路改变单元，设置于光源和反射型液晶显示装置之间的光路上，用于改变从光源入射的光的光路，使光经过该反射型液晶显示装置导向屏幕；以及投影透镜单元，用于将反射型液晶显示装置所形成的图像投向屏幕。
附图说明
通过参照附图来详细地描述其示例性的实施例，本发明的上述方面和优点将变得更加显而易见，其中：
图1是根据本发明的示例性反射型液晶显示装置的截面示意图；
图2A和2B示意性地示出了根据本发明的反射型液晶显示装置的示例性操作过程；以及
图3示意性地示出了根据本发明的投影仪的示例性光学设置。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的示例性的反射型液晶显示装置包括第一和第二基板11和25、第一和第二排列层15和21、间隔件17和液晶19。
第一基板11由反射材料形成，包括条状反射电极13。反射电极13由高反射性材料如铝形成。
第二基板25由透明材料形成，包括条状透明电极23。透明电极23由铟锡氧化物(IT0)形成。
反射电极13和透明电极23设置成在对应于象素的部分相互交叉，并用于控制各个象素的单元中的液晶19。
第一和第二排列层15和21各自相对地面向第一基板11和第二基板25。换句话说，将第一排列层15设置在第一基板11的顶表面上，而将第二排列层21设置在第二基板25的底表面上。该第一和第二排列层15和21确定液晶19的排列取向，这样使得液晶19以垂直方向排列，具有一个满足下列关系式(1)的预倾角：
            80°≤α≤90°                    ……(1)
其中该预倾角α是通过研磨工艺形成的。
该预倾角α允许置于第一和第二排列层15和21之间的液晶19垂直布置。该第一和第二排列层15和21优选由光排列层(light alignment layer)如聚酰亚胺或者二氧化硅(SiO₂)层形成。
间隔件17位于第一排列层15和第二排列层21之间，并使得第一排列层15和第二排列层21彼此分开一预定的单元间隙(d)。由此，借助间隔件17可以在第一排列层15和第二排列层21之间形成一个内部空间，而液晶19被注入到该内部空间中。
间隔件17优选为柱形或者球形，并由二氧化硅(SiO₂)制成。
这种构造的反射型液晶显示装置根据有无施加驱动功率而具有不同的液晶取向。
图2A示出了没有施加驱动功率时液晶的取向。参照图2A，液晶19垂直排列，并且允许发射光相对于入射光再次反射而无相位延迟。由此，在如图2A所示的状态中，当后面将要描述的投影仪中采用了该反射型液晶显示装置时，就可以实现黑色图像了。
图2B示出了当对根据本发明的反射型液晶显示装置施加驱动功率时的液晶的取向。参照图2B，液晶19具有扭曲的取向。在这种情况下，入射光L被相位延迟了入射光波长的1/4同时它被导向第一基板11。这里，波长指的是可见光的中心波长，即550nm。从而，经过第二基板25发出的出射光L′相位延迟了入射光L的半波长(1/2)。换句话说，当入射光L是S偏振光时，出射光L′由于相位延迟而成为P偏振光。当下面将要描述的投影仪采用了所示的液晶显示装置时，就可以实现白色图像显示。
鉴于单元间隙(d)、液晶19的介电各向异性(Δε)以及折射率各向异性(Δn)，上述反射型液晶显示装置满足下面关系式(2)：
             d≤1.0[μm]；
             Δε＜0；并且
             Δn≥0.14                    ……(2)
上面的关系式(2)表示在低饱和电压(V_sat)下实现高亮度同时保持液晶的响应时间τ不超过1msec所要求的条件。
响应时间τ基本上和单元间隙(d)的平方成反比，也即τ～1/d²。由此，单元间隙(d)越小，响应时间就越快。如果单元间隙(d)减小，饱和电压(V_sat)会增加且亮度降低，这样在减小单元间隙(d)时存在限制。
在本发明中，和单元间隙(d)不超过1[μm]有关的这些问题，也即，饱和电压(V_sat)增长且亮度降低，可以通过使液晶19的折射率各向异性(An)保持在较高水平来解决。
考虑到前面所述，折射率各向异性Δn和单元间隙(d)应满足下面的关系式(3)：
d×Δn＝λ/4                           ……(3)
其中λ是入射到液晶显示装置的光的波长。
因而，在所述的实施例中，以大约550[nm]即可见光的中心波长作为波长λ，并且以1[μm]作为单元间隙(d)时，由此得出折射率各向异性(Δn)大约为0.138。基于这个结果，在该液晶显示装置中采用了折射率各向异性(Δn)为0.14的液晶。
折射率各向异性(Δn)和单元间隙(d)的值如上面关系式(2)来设置，使得饱和单元(V_sat)能够被调整到不大于6[V]的水平，同时保持响应时间τ约为1[msec]，由此可以实现单板型投影电视。参照图3，根据本发明的示例性投影仪包括：光源30；颜色分离单元40，用于从光源30照射的白光中分离出颜色；反射型液晶显示装置70，用于使入射光形成图像；光路改变单元80，用于改变被导向屏幕(未示出)的图像的光路；以及投影透镜单元90，用于将由光路改变单元80改变了传播路径的光扩展并将其同样投影到屏幕上。
同样，根据本发明的投影仪可进一步包括：光照均匀单元50，其设置在颜色分离单元40和光路改变单元80之间的光路上，用以使朝着反射型液晶显示装置70传播的光成为均匀的光；以及中继镜60，用于使已经通过了光照均匀单元50的光会聚和/或发散，并将光中继到液晶显示装置70。
光源30包含用于产生光的灯31和使所产生的光以一个方向传播的反射镜35。根据曲面形状，反射镜35可以分为椭圆形镜和抛物线形镜。光源30的构造本领域众所周知，这里不给出对它的说明。
颜色分离单元40设置于光源30和液晶显示装置70之间的光路上。颜色分离单元40包括旋色片(color rotating plate)41，以及转动该旋色片41的驱动器45。该旋色片41用于对从光源30入射的白光光束中具有预定波长的光束进行时间或者空间地过滤。由此，利用驱动器45将旋色片41转动，整个时间内具有不同颜色的图像就入射到液晶显示装置70。
光照均匀单元50由如图3所示的玻璃棒构成。光照均匀单元50也可以是复眼透镜阵列(fly-eye lens array)。
光路改变单元80改变光路，使得从光源30发出的有效光被导入液晶显示装置70，并且将该从液晶显示装置70反射出的有效光导入投影透镜单元90。
光路改变单元80优选是根据偏振方向来透射或者反射光的偏振光分束器81。光源30射出非偏振光束，该偏振光反射器81将其中的一种偏振光束例如S偏振光反射引导到液晶显示装置70。另一方面，该偏振光分束器81透射来自光源30的入射光束中其它的偏振光束例如P偏振光，以允许该相移后的光可以被导入到投影透镜单元90，该P偏振光是当液晶显示装置70导通/断开时相移的。
反射型液晶显示装置70面对着偏振光分束器81的一个平面放置，并为各个象素独立地选择液晶的取向，由此形成图像。反射型液晶显示装置70的响应时间τ不超过1[msec]。液晶显示装置70基本上和上面参照图1，2A和2B所描述的反射型液晶显示装置一样，这里不给出其详细的说明。
如上所述，利用响应时间τ不超过1msec的液晶显示装置可以实现单板型投影仪。
因此，通过优化单元间隙和液晶的折射率各向异性，根据本发明的具有垂直排列结构的反射型液晶显示装置可以实现高的对比度和不超过1msec的快速响应时间。
此外，该液晶显示装置的使用可以实现单板型投影仪，由此实现微型化的投影仪以及低成本的显示器。