CN1100279C - 有源矩阵液晶显示屏 - Google Patents

Abstract

可在宽的视角范围内获得良好的显示特性且无灰度反转的有源液晶显示屏。这样形成液晶层4，使得其厚度根据色层6、7和8的透射波长而不同，以获得无论从何方向观看均不出现任何着色的良好显示。有源矩阵基片A包括多个相对电极；多个像素电极；薄膜晶体管及取向膜。滤色器基片C包括取向膜和光学补偿层。两基片这样设置、使得其取向膜彼此相对。具有负单轴折射率各向异性的光学补偿层可消除液晶层4上产生的延迟，以抑制黑色显示部分的白色浮动。

Description

有源矩阵液晶显示屏

本发明涉及具有液晶保持于透明绝缘基片之间的结构的一种有源矩阵晶液显示屏。

把薄膜场效应管(后文称为TFT)作为像素转换元件的有源矩阵液晶显示屏(后文称为AMLCD)具有很高的画面品质，且被广泛地作为显示设备应用于如便携式计算机或节省空间型的台式计算机的监视器。

近年来，为达到液晶显示的高品质，人们提出了一种被称为同平面转换模式的显示方法，此模式利用了横向电场以改善可视角度特性(例如，亚洲显示′95)(先有技术1)。

根据此种显示方法，形成相互平行的像素电极与相对电极，在像素电极与相对电极之间加一电压以在液晶层平面形成平行电场，以改变液晶导向偶极子的方向，从而控制由此通过的透射光线总量。

在上述液晶显示系统中，由于导向偶极子仅在基本上平行于液晶层平面的方向及在液晶层平面内运动，不会产生下述问题：由于如同在TN(扭曲向列)模式下一样，导向偶极子隆起越出液晶层平面，所以，是从导向偶极子的方向观看还是从液晶层的法向方向观看所述液晶层，透射光线总量与所施电压之间的关系出现巨大差异。因而可以在很大的视角内，获得不论从哪一方向观看效果都相似的显示图像。

图1显示了一种被横向电场驱动、并呈现良好的显示特性的液晶显示系统。

对于上述显示系统，人们根据液晶层的初始取向条件和偏振板的设置方式提出了几种系统。这些系统中，如图1所示的系统，在两基片中以相同的方向注入液晶层，且在初始取向条件中，各导向偶极子的取向与此方向一致，同时，基片被夹持其中且形成正交尼科尔的两偏振板之一的取向与初始条件下的导向偶极子方向一致，这样，不施加电压时，获得黑色显示，但在施加电压时，导向偶极子的方向被调转而获得白色显示，这样的系统有利于低成本地使黑色电平稳定。

在上述系统的显示模式中，从正面射入的光的透射系数T，基于以下表达式根据导向偶极子的旋转角给出：

 T＝sin²(2Φ)·sin²(π·Δnd_eff/λ)      (1)

其中d_eff为液晶层厚度的有效值，所述液晶层在液晶导向偶极子扭曲变形时弯曲变形，同时，所述厚度在中心部分大并在液晶与基片的介面有固定值，它比液晶层的实际厚度小。

例如，已被实验证实，形成4.5微米厚的液晶屏、在液晶屏中注入介电常数各向异性Δn＝0.067的液晶，如果施加横向电场以引发相当于Φ＝45°的变形，则由表达式(1)可见透射系数呈现对波长的依赖性，而在λ＝550毫微米时具有最大值。相反地，由此，由表达式(1)预计d_eff＝4.1微米，而其他波长的透射系数基本上与在表达式(1)中代入d_eff＝4.1微米所得到的值基本一致。

在这种情况下，在兰色滤波器所选的典型波长460毫微米和另一红色滤波器所选的典型波长610毫微米之间，表达式(1)得出的透射系数在不超过其最大值的10％的范围内变化。然而，即便没有进行特殊工艺，从液晶屏的正面观看时也没有显著的着色图像。在对颜色纯度要求更高的地方，调整滤色器的透射系数或背景色的频谱，就可以平衡由R、G和B滤色器的透射光线。

这里已经证实，当施加横向电场使导向偶极子旋转约45度以提供白色显示时，可以从与旋转后的导向偶极子垂直的方向倾斜45°地观看基片。

图2(a)和2(b)为说明光线斜向射入时通过液晶的光线的透射的视图，其中图2(a)为从相对于基片的斜向观看的视图，而图2(b)为从平行于基片的方向观看的视图。

虽然表达式(1)没有给出倾斜穿过液晶屏的光线的透射系数的精确值，但是，它基本上是相同的，因为，光线在以下情况下通过正交尼科尔：当光线穿过液晶时，原始光线与非常光线间产生推迟。因此，

f＝sin²(π·ΦnL/λ)    (2)

其中表达式(1)右边第二个因子d_eff被光线通过有效旋转后的液晶层的光路长度L所代替，成为决定透射光线强度的重要因素。

从正面观看液晶屏时，在相应于λ＝550毫微米的绿色光的情况下，透射系数频谱具有最大值，因此，

π·Δnd_eff/λ＝π/2      (3)

而表达式(2)中的因子f为1。

如图2(a)和2(b)所示，当从垂直于导向偶极子且与基片倾斜的方向观看液晶屏时，透射光线折射率各向异性Δn是椭圆的长轴与短轴间的差值，该椭圆相应于当沿着光线的波前切开折射率回转椭圆时、折射率回转椭圆的一部分，其长轴在液晶导向偶极子方向。在这种情况下，由于波前包括回转椭圆的主轴，所以光线的折射率各向异性Δn为固定值，与偏离基片法向方向的倾斜角θ无关。因此，随着倾斜角θ的增加，π*Δn_L/λ逐渐从π/2开始增加，同时由表达式(2)给出的因子f减小，反应出来，透射系数T也减小。

在相应于λ＝610毫微米的红色光的情况下，

π·Δnd_eff/λ＜π/2           (4)

在正面，因子f小于1。由于与λ＝550毫微米的例子中相同的原因，随着θ的增加，π*Δn_L/λ增加，而在它变为等于π/2后，它进一步增加而超过π/2。响应此增加，因子f变为等于1，随后逐渐减小。因而，透射系数T也反应此变化，一度增大而后逐渐减小。

另一方面，在相应于λ＝460毫微米的兰色光的情况下，

π·Δnd_eff/λ＞π/2         (5)

在正面，因子f小于1。由于与λ＝550毫微米的例子中相同的原因，随着θ的增加，π*Δn_L/λ增加，并从π/2进一步增大。因而，因子f由1进一步减小。由于当光路长度L增加时，f的增加速率由(6)给出：

δf/δL＝(π·Δn/λ)·sin(2π·ΔnL/λ)    (6)

所以，随着π*Δn_L/λ增大超过π/2，f突然减小。因此，可以说λ＝460毫微米时f的减小比当λ＝550毫微米时更不连续，而透射系数T也不连续地减小。

由上所述，由于随着θ的增加，兰色光减小最急骤，绿色光相比缓和一些，而红色光先增加而后减小，尽管从正面看到白光，但是，随着θ增加，光线逐渐呈现红色着色。

这可考虑到液晶的变形和光学各向异性来进行模拟而进一步定量地确定。

图3为一图表，说明为显示白色，当光线从垂直于液晶导向偶极子且与基片倾斜的方向射入基片时，倾斜角度与透射系数间的关系。请注意，横坐标表示倾斜角θ，而纵坐标表示用正面的透射系数规一化的透射系数的计算结果。

如图3所示，随着θ的增大，透射系数逐渐减小，而更重要的是，可以看出兰色的透射系数减小得最快。

图4为一图表，说明为显示白色，当光线从与液晶导向偶极子相同且与基片倾斜的方向射入基片时，倾斜角度与透射系数间的关系。

如图4所示，当视线逐渐倾斜至与白色显示时导向偶极子的方向相同时，如果进行类似的模仿，相反地可以看出红色呈现最显著的衰减。

上述现象与设置了滤色器的真实的彩色液晶显示屏中的现象非常相似。事实上，已经证实，从斜向观看在与前述液晶屏相同条件下生产的彩色液晶显示屏时，它看起来是着色的。

如上所述，通过具有利用了横向电场结构的有源矩阵液晶显示装置，虽然在比常规TN模式下更大的视角范围内获得了良好的显示特性，但是当从斜向观看时，根据方向的不同，显示图像显著着色。如果出现这种着色，在显示全色的图像数据时，原画面的图像就会很大失真。

另一方面，在日本专利公开申请No.Showa 60-159831(先有技术2)和日本专利公开申请No.Showa 60-159823(先有技术3)中，公开了在具有滤色器的液晶显示屏中，组成具有不同液晶层厚度的滤色器的各种颜色的液晶层的方法。所述方法提出一显示系统，其中液晶保持在两玻璃基片之间，且在液晶相对边的透明电极上施加电压，以改变液晶层的排列，最重要的是，改变扭曲向列模式的液晶显示装置，其余涉及在从正面观看时优化特性的一种方法。那些方法在结构、目的和原理上与本发明颇有不同，本发明是如后所述，用以抑制在比TN系统具有更高的画面品质的横向电场显示系统斜光射入时产生的着色。

在日本专利公开申请No.Heise 1-277283(先有技术4)和日本专利公开申请No.Heisei 6-34777(先有技术5)中提供了不同方法，其中针对不同颜色优化了液晶显示层的厚度，以便用简单的矩阵驱动改善其正面特性。然而，与之相似，所述方法与本发明有本质不同。

在日本专利公开申请No.Showa 60-159827(先有技术6)、日本专利公开申请No.Heisei 2-21423(先有技术7)和日本专利公开申请No.Heisei 7-104303(先有技术8)中也提出了不同的技术，其中针对滤色器的各种颜色，形成具有不同厚度的液晶层。然而，它们提出的优化TN模式的正面特性的结构和生产方法，与本发明有本质不同。

如上所述，通过具有利用了横向电场结构的有源矩阵显示装置，虽然在比常规TN系统下更大的视角范围内获得了良好的显示特性，但存在着从斜向观看时，依方向不同出现显著着色的问题，因此，当要处理例如照片等图像数据时，原画面的图像就会很大失真。

再则，近年来，为达到更高的液晶显示品质，人们提出了利用横向电场以改善视角特性的被称为同平面转换模式(后文称为IPS)。一个例子为1995年10月10日至18日举行的“亚洲显示95”出版、并在亚洲显示′95的论文集“同平面转换模式光电过程的原则及特性”一文中公开。所公开的液晶显示屏如图5所示，它是这样构成的，在液晶层被夹持其中的一对基片70中的一个之上形成相互平行的线状像素电极71和线状像素相对电极72，而在另一基片上没有电极。在基片70外侧形成一对偏振板73和74，后者有相互垂直地延伸的偏振轴75和76。换句话说，所述偏振板73和74具有互为正交尼科尔的位置关系。在像素电极71与相对电极72上施加电压产生平行于所述液晶层平面的横向电场77，其上液晶分子的导向偶极子的方向偏离初始取向78而变化，从而控制通过液晶层的透射光线。

在扭曲向列模式(后文中简称为TN)中，由于液晶分子偏离液晶层平面而三维地隆起，所以，是从与隆起的液晶分子相平行的方向观看，还是从垂直于液晶层的另一个方向观看，液晶层看起来状态不同。此外，存在这样的问题，当从斜向观看液晶显示屏时，所施电压与透射光线总量间的关系有很大差异。更确切地说，如图6所示例子中，可以看出电压-透射系数特性，从正面观看TN模式的液晶显示屏时，特性为单一的降曲线，其中施加电压超过2V后，透射系数随着电压升高而降低。然而，当从斜向观看TN模式液晶显示屏时，特性曲线是具有极值的复杂曲线，随着所施电压的增加，透射系数一度降低，直到在电压为2V时变成0，但其后电压升高，透射系数增大，直到电压超过约3V时，它再次下降。因此，如果从正面观看液晶显示屏时，所述驱动电压根据电压透射系数特性而设置，而从斜向观看时，有可能发生灰度反转，使白色显示部分看起来是黑色或黑色部分变成白色。总之，通常TN模式液晶显示屏仅在左右40度、上15度下5度的视角范围内使用，可被正确观看。当然，上、下、左、右方向可以通过安装液晶显示屏来修改。

另一方面，同平面转换(IPS)系统的优点在于，由于液晶分子仅在基本上与液晶层平面(两维)相平行的方向运动，所以，从比TN系统更广的视角内可以获得基本上类似的图像。特别是，IPS系统可用于上、下、左、右40度的视角范围内。

作为IPS系统装置，人们已经根据液晶层初始取向条件和偏振板设置方式提出具有各种不同结构的各种液晶显示屏。在上述图5的例子中，通过在两基片的相同方向的介面取向处理来处理液晶层，并且，两偏振板之一的偏振轴与所述取向平行地延伸。此液晶显示屏允许稳定的黑色显示，因为，在初始取向条件下，液晶分子的导向偶极子与介面取向处理的方向一致地取向，且不施加电压显示黑色，但当施加电压时，导向偶极子旋转因此显示白色。

如上所述，通过利用了横向电场的IPS系统的有源矩阵显示屏，在比常规TN系统下更大的视角范围内获得了良好的显示特性。然而，有时IPS的有源矩阵显示屏根据该有源矩阵显示屏观看的角度，会由于灰度反转而遭受损害。照这样发生灰度反转，就有一个问题，如果显示图像主要是黑色，如人的头发等，那么从与该有源矩阵液晶显示屏倾斜的方向观看，就无法获得良好的图像。

此问题以下将更详细地加以描述。首先，讨论省略液晶层而仅有相互以正交尼科尔的位置关系设置两偏振板时的透射系数。需要注意，两偏振板中，在光入射侧放置的是偏振器，在光出射侧放置的是检偏振器。

在图7中，偏振器吸收轴方向单位矢量以e₁表示，检偏振器吸收轴方向单位矢量以e₂表示，基片的法向单位矢量以e₃表示。这些单位矢量相互垂直。当光线通过偏振器时，光线的单位矢量以k表示。矢量k与基片法向间的夹角以天顶角α表示，而矢量k在基片平面上的投影与矢量e₁间的夹角以方位角Φ表示，矢量k表示为

k＝sinαcosφ·e₁+sinα·sinφ·e₂+cosα·e₃          (7)

当光线通过偏振器时，可被看作由(e₁×k)方向的偏振光分量，和另一((e₁×k)×K)方向偏振光分量组成。请注意，矢量间的符号×代表矢量相乘。由于前者垂直于吸收轴e1，理论上它不被吸收。另一方面，后者被偏振器吸收。如果吸收率和偏振器薄膜厚度的积足够大，通过偏振器后，后一偏振光分量为0。

两偏振板(偏振器和检偏振器)的折射率基本相等，而光线通过检偏振器时的方向等于k，当光线通过检偏振器，光线被分成(e₂×k)方向的偏振光和另一((e₂×k)×k)方向的偏振光。后一偏振光分量在通过检偏振器时基本上完全被吸收，而仅留下后一偏振光分量。因此，如果忽略在玻璃表面的反射等影响，透射系数T可以表示为 $T={\{\frac{1}{\sqrt{2}}\·\frac{e_1\×k}{|e_1\×k|}\·\frac{e_2\×k}{{|e}_2\×k|}\}}^2----\left(8\right)$

用α和Φ表示表达式(8)，得到 $T=\frac{1}{2}\·\frac{{\sin }^4\mathrm{\α}\·{\sin }^2\mathrm{\φ}\·{\cos }^2\mathrm{\φ}}{{\sin }^4{\mathrm{\α}\·\sin }^2\mathrm{\φ}\·{\cos }^2\mathrm{\φ}+{\cos }^2\mathrm{\α}}----\left(9\right)$

如果光线来自等于偏振板之一的吸收轴方向的方位角，例如Φ为0或90度时，由表达式(8)得到的透射系数T为0。换句话说，与光线从正面入射的情况相似，由于处在正交尼科尔位置的偏振板的作用，光线不能通过。

另一方面，方位角Φ＝45度处，也就是当关于两偏振板的每个吸收轴的方位角Φ为45度时，随着天顶角α的增大，透射系数增大。当偏振器的折射率为1.5，由于空的折射率约为1，sinα的最大值为1/1.5。如果将其代入表达式(9)计算，其结果透射系数约为7％。然而，实际上由于在每一偏振板与空气间因其折射率不同而发生反射，如果考虑到反射而进行模拟，空气中光线与基片法线间的倾斜角(方位角)α与透射系数间的关系如图8中的曲线1所示。

接下来，描述另一例子，其中正介电常数各向异性和折射率各向异性为n₀＝1.45Δn＝0.067的液晶被保持在两偏振板间，使得导向偶极子取向与检偏振器的吸收轴的方向相同(α＝90°而Φ＝0°)。在液晶中，已经通过偏振器的光线以与偏振器中光线方向稍有不同的方向向前。其结果是，通过偏振器时均匀偏振的线性偏振光通过液晶后成为椭圆偏振光。因此，透射系数与没有液晶的地方不同。当光线来自方位角Φ＝45°的方向时，天顶角α与透射系数间的关系如图8中的曲线2所示。在这种情况下，透射系数比仅安排有正交尼科尔偏振板而没有液晶的情况(曲线1)大一些。

在每一基片介面，液晶导向偶极子并不与基片平面完全平行延伸，而通常是相对所述基片平面上升大约1°至10°。此角为预倾斜角(pretilt)。通常，由于为使液晶取向具有更高的稳定性，进行如摩擦等介面取向处理，使得液晶分子的取向在每个介面附近相互平行，所以，液晶分子基本上在所有区域相对基片平面成一固定的角度倾斜。采用具有高稳定性的工业用取向膜，通常此预倾斜角约为3度。

预倾斜角为3度，而光线来自方位角Φ＝45°时天顶角α与透射系数的关系如图8中曲线3所示。图8中的曲线4还显示了预倾斜角为-3°，而光线来自方位角Φ＝45°时天顶角α与透射系数间的关系。需要注意的是，当液晶在与矢量e₁相同的方向上升，预倾斜角取正值，而当上升的方向与矢量e₁相反时，预倾斜角取负值。特别是当液晶在与矢量e₁相同的方向上升时(预倾斜角为正)，透射系数的值约为仅有偏振板时(没有液晶)时的两倍。

如上所述，由于图8的曲线1至4展示了没有在液晶上施加电场时黑色显示的条件的比较，透射系数越低越好。然而，与曲线1、2和4相比，曲线3的透射系数非常高。因此，对曲线3的例子，就是其中预倾斜角为3的例子，加以详细描述。

虽然以上已对没有电场施加于液晶的例子作了说明，但是，如果施加横向电场以旋转液晶层平面上的导向偶极子方向，则透射系数增加。根据计算模拟，当像素电极与公用电极的电位差为3V时，透射系数约为2.4％，而在电位差为3.5V时，透射系数约为6.3％。图9显示了描绘当预倾斜角为3°而方位角Φ＝45°时，改变天顶位α计算透射系数的结果而得的图表。在没有施加电压时(V＝0V)，该图与图8的曲线3一样。在施加电压时，得出一种结果，随着天顶角α的增加，透射减小，而V＝3.0V的曲线在天顶角α＝37°附近、而V＝3.5V的曲线在天顶角α＝50°的附近与没有施加电场时V＝0的曲线相交叉(当液晶在初始取向条件下)，而此后透射系数和亮度发生反转。换句话说，当电位差为3.0V，而天顶角α小于37°时，施加电压比不施加电压的透射系数高，但在天顶角α超过37°时，施加电压比不施加电压的透射系数低。因此，天顶角α超过37°时，施加电压的部分变得相当黑，而不施加电压的部分变得相当白，而出现所谓的灰度反转，其中黑白显示与通常的黑白显示相反。需要注意的是，在天顶角α＝37度附近，施加电压部分与不施加电压部分的透射系数无太大差别，对比度很小而也无法看到良好的图像。与此类似，电位差为3.5V时，在天顶角α为50度附近发生灰度反转，其中施加电压部分与不施加电压部分的透射系数相互反转.

上述灰度反转现象可以实际仪器中看到。虽然由液晶的预倾斜角与偏振板吸收轴的方向间的关系、从什么角度观看有源矩阵液晶显示屏不同而决定，灰度反转有时在从40度角观看显示屏时发生。

照这样，在具有利用横向电场结构的IPS系统的有源矩阵液晶显示装置的情况下，虽然在比常规TN系统更大的视角范围内获得了良好的显示特性，但是存在这样一个问题，根据从什么角度观看装置不同，发生灰度反转，特别是从斜向观看包含很多黑色的显示时，就无法获得良好图像。

如上所述，当从一个方向，比如说与位置成正交尼科尔关系的两偏振板的偏振轴成45度的方向，斜向观看基片，出现白色浮动现象，因为产生了在没有施加电压的部分，从一偏振板透射光线被另一偏振板吸收，但没有被完全吸收的现象。此外，由于具有折射率各向异性的液晶被保持在两偏振板间，液晶显示屏的白色浮动现象的程度(degree)不固定，这是因为已通过各偏振板之一的光线(线性偏振光)经过双折射，使得它变成了进入另一个偏振板的椭圆偏振光。当基片平面上的液晶的导向偶极子这样取向、使得其投影在与偏振板之一的偏振轴平行的方向上延伸时，像在采用了横向电场的通常的液晶显示中一样，如图8所示，它们相对于基片平面成固定预倾斜角，视液晶上升方向不同，所述白色浮动强度会变得很大。如果白色浮动以这种方式增强，如图9所示，则灰度反转有时会在很低的天顶角发生。

本发明鉴于上述现有技术水平存在的问题而做出，本发明的首要目的是提供一种横向电场驱动型有源液晶显示装置，不论从什么方向观看显示装置，它均有良好的显示特性，而无着色。

本发明的第二个目的是提供一种有源矩阵液晶显示屏，它不但抑制黑色显示部分的白色着色，而且不损失横向电场显示的良好的视角特性，并且在更大的视角范围具有无灰度反转的良好的显示特性。

为达到上述目标，根据本发明的一个方面，提供有一种有源矩阵液晶显示屏，它包括：第一基片，其上形成相互平行的多个具有不同透射波长的色层；设置在与第一基片相对的位置关系的第二基片，而与所述第一基片预留一个间隙以在施加预定电压时产生预定的电场；以及由注入于邻近所述第二基片的第一基片表面和邻近所述第一基片的第二基片表面形成的间隙中的液晶形成的液晶层，所述第二基片产生的电场基本平行于液晶层以控制显示，所述液晶层视色层的透射波长而具有不同厚度。

所述液晶层可以具有这样的厚度，它与从某波长范围内选出的一种波长成正比地增加，在此波长范围内各色层的透射系数高于各色层的透射频谱的峰值的70％。

所述第二基片可包括：相应于各色层形成的多个像素电极；所述加于像素电极的预定电压；以及以平行于所述像素电极方向形成的多个相对电极，以便当电压施于所述像素电极时，与所述各像素电极一起产生其间的电场，所述像素电极与相对电极相互间隔的距离针对各色层而不同。

所述第一基片可具有在其邻近第二基片的表面上形成的保护层，用来防止杂质从各色层选出。

当从斜向观看液晶显示装置时，横向电场驱动型液晶显示装置发生着色起因于以下事实：当表达式(2)中所定义的因子f根据光线是从垂直还是从倾斜方向射入而改变时，改变的方式随波长λ而变化。

引发着色问题的高品质彩色液晶显示装置，几乎均采用了滤色器。

图14为说明滤色器的透射系数频谱特性的一个例子的图表。

由图14可见，滤色器有选择地使相应于R、G和B三原色的特定的有限的波长范围通过。图14中说明滤色器的透射系数频谱的峰值，兰色为460毫微米，绿色为540毫微米，而红色为640毫微米。此外，兰色光的透射系数高于峰值70％的波长范围为420-500毫微米，绿色光为510-580毫微米，而红色光为590毫微米或更长的波长。在这些波长范围中，由于有70％或更多的入射光通过滤色器，它们对显示特性有显著影响。

这样，如果考虑到背景光的辐射频谱、光谱发光效能等等，在设计时，选择上述波长范围内的一特定波长作为代表，就其透射进行测试，那么波长范围内任意波长的透射系数等的值，在与滤色器的透射系数有关的变换范围内基本彼此相等。

一般而言，由于兰色、绿色和红色滤色器的波长为λ_B＝460毫微米、λ_G＝550毫微米和λ_R＝610毫微米，各自基本上在相应的透射波长范围的中心，可选择它们作为代表值。

尽管以下述描利用了上面提及的值作为代表值，但是，就必要性而言，并不需要使用特定的数值作为代表值。

首先，对于所选波长λ_R、λ_G和λ_B，相应于各滤色器的像素的液晶层的厚度的确定需满足

d_R/λ_R＝d_G/λ_G＝d_B/λ_B        (10)

在这种情况下，当光线从正面射入，R、G、B的f因子由下述表达式给出：

f_R＝sin²(π·ΔndR_eff/λ_R)         (11)

f_G＝sin²(π·ΔndR_eff/λ_G)         (12)

f_B＝sin²(π·Δnd_Reff/λ_B)         (13)

其中被横向电场旋转的液晶层的有效厚度d_Reff、d_Geff和d_Beff与液晶盒间隙dR、dG和dB具有下述表达式给出的关系：

d_Reff/d_R＝d_Geff/d_G＝d_Beff/d_B        (14)

利用表达式(10)至(14)得出：

f_R＝f_G＝f_B                          (15)

另一方面，如果在白色显示情况下，如图2所示，从与垂直于导向偶极子的方向倾斜的方向观看基片，那么光线的折射率各向异性Δn不变，仅有光路长度L按以下表达式增加：

L_R＝d_Reff/cos(0′)                     (16)

L_G＝d_Geff/cos(0′)                     (17)

L_B＝d_Beff/cos(0′)                     (18)

其中θ’为光线在液晶中前进的方向与基片法向间的角度，严格地讲，它对各种光因折射率依赖于波长而不同。然而，由于此波长依赖性很小，可作为基本固定处理。当光线倾斜入射，R、G、B的f因子分别以f_R、f_G、f_B代表时，由表达式(2)所定义的f因子和表达式(10)、(14)、(16)、(17)和(18)，得到：

f′_R＝f′_G＝f′_B                   (19)

因此，随着倾斜角θ不同，尽管f因子本身的值不同，但是，由于它们对不同波长有相同的值，所以不会发生着色。

虽然以上描述了从与垂直于液晶的导向偶极子的方向相倾斜的方向观看基片的例子，但是由于在任何其他方向，光路长度与波长之比与波长无关，是固定的，所以，表达式(19)表示，无论从何方向观看基本上无着色现象发生。

此事实可被模拟而定量地证实。

图15为一图表，说明了显示白色时，当光线从垂直于液晶导向偶极子但与基片倾斜的方向入射时，本发明的有源矩阵液晶显示装置中倾斜角与透射系数间的关系，而图16为一图表，说明了显示白色时，当光线从与液晶导向偶极子相同但与基片倾斜的方向入射时，本发明的有源矩阵液晶显示装置中倾斜角与透射系数间的关系。需要注意的是，在图15和图16中假设：液晶显示装置显示白色；液晶显示装置中针对各滤色器的各颜色的液晶层厚度不同；光线倾斜角θ与透射系数的关系，可由代表R、G和B(红色、绿色和兰色)滤色器的波长为610毫微米、550毫微米和460毫微米的光线计算而得；横坐标代表入射光线与基片法向的倾斜角度，而纵坐标代表用正面的透射系数规一化的透射系数。这里，相应于R、G和B的液晶层厚度分别为5.0微米、4.5微米和3.8微米，而所施加的横向电场的强度设为与液晶层厚度成反比增加，以使横向电场的液晶层旋转角对R、G和B都相等。

图15中，光线倾斜的方位角为与旋转后的液晶导向偶极子相垂直的方向，但在图16中，为与旋转的液晶导向偶极子相同的方向。

由图15和图16可显见，随着倾斜角θ的不同，透射系数不同，但它们都对代表各滤色器的波长显示了相同的特性。因此，也由模拟而成功地证实根本无着色现象发生。

当液晶层的厚度随相应的各滤色器的颜色而不同时，为以某一固定角度旋转液晶导向偶极子所需要的横向电场的强度，与液晶层厚度成反比地增加。由此，为得到白色显示，所施加的横向电场强度对R、G和B成3.8∶4.5∶5.0的比例。因此，当像素电极与相对电极间的距离设为10微米时，为产生白色显示所述像素电极与相对电极间的电位差对红色为5.5V，对绿色为6.0V，而对兰色为7.0V。

以这种方式对各颜色提供不同电压的系统增加了电路的复杂性，且导致驱动系统成本增高。因此，像素电极与相对电极间的距离针对各种颜色而不同，比如红色为11微米，绿色为10微米，而兰色为8.5微米，使得通过对相应于所有颜色的像素施加一致的6V电压而可获得良好的白色显示。

根据本发明的另一方面，提供有一种有源矩阵液晶显示屏，它包括：如栅格地以互相交叉的关系分布在一对透明绝缘基片中的一个上的多条扫描线和多条信号线；多个分别设置在扫描线与信号线的交点附近的有源元件；与所述有源元件相连的多个像素电极；与像素电极相应地分布的多个相对电极；施加于所述像素电极和相对电极间的电压；置于一片透明绝缘基片和另一片透明绝缘基片之间的液晶层；置于所述绝缘基片外的一对偏振板；和用来以基本平行于所述液晶层的电场控制显示的机构；具有单轴方向的负折射率各向异性的光学补偿层；光学补偿层的各向异性轴在基片之一的平面上的投影与两偏振板的至少一个偏振轴平行，该光学补偿层至少设置于一片透明绝缘基片与相应的偏振板之一之间。

当这样构成所述有源矩阵液晶显示屏、使得当所述像素电极与相对电极间的电压为0时、液晶层中液晶分子的导向偶极子相对于液晶层平面所成角度基本上一致、而光学补偿层的折射率各向异性轴基本上平行于导向偶极子延伸时，光学补偿层的补偿准确性得以提高。

当所述液晶层折射率各向异性Δn_LC与层厚度d_LC的乘积Δn_LC*d_LC基本上等于光学补偿层折射率各向异性Δn_F与光学补偿层厚度d_F的乘积Δn_F*d_F时，所述补偿的准确性可得以进一步提高。

当液晶层对普通光的折射率n_L0与光学补偿层对普通光的折射率n_F基本上相等时，补偿程度可进一步提高。

最好这样构成有源矩阵液晶显示屏，使得当所述像素电极与相对电极间的电位差为0时，液晶层中液晶分子的导向偶极子在液晶层平面上的投影基本上相互平行，且光学补偿层的折射率各向异性轴在液晶层平面上的投影平行于导向偶极子在液晶平面上的投影；并且，光学补偿层的折射率各向异性轴相对于液晶层平面的角度由θ_F表示，而所述导向偶极子与液晶层和绝缘基片间的介面上的液晶层平面之间角度由θ₁和θ₂表示，θ₁、θ₂互不相同，角度θ_F满足于θ₁＜θ_F＜θ₂或θ₂＜θ_F＜θ₁，而光学补偿层的折射率各向异性轴，与至少所述液晶层上的液晶分子之一的导向偶极子相平行。

此外，最好这样构成有源矩阵液晶显示屏，使得当所述像素电极与相对电极间的电位差为0时，液晶层中液晶分子的导向偶极子在液晶层平面上的投影基本上相互平行，且光学补偿层的折射率各向异性轴在液晶层平面上的投影，平行于导向偶极子在液晶平面上的投影；并且，光学补偿层的折射率各向异性轴相对于液晶显示平面的角度由θF表示，而所述导向偶极子与液晶层和绝缘基片间的介面上的液晶层平面之间的角度由θ₁和θ₂表示，θ₁、θ₂互不相同，角度θ_F总满足于θ₁＜θ_F＜θ₂或θ₂＜θ_F＜θ₁，而角度θ_F以与导向偶极子在液晶层厚度方向的变化的对应关系在光学补偿层的厚度方向上变化。

图1为一示意图，显示了具有良好显示特性的横向电场驱动型液晶显示系统；

图2(a)和2(b)为图解示意图，说明了当光线斜向射入时，通过液晶的光线通路，而其中图2(a)为从与基片倾斜的方向观看的示意图，而图2(b)为从与基片平行的方向观看的示意图；

图3为一图表，说明当显示白色，光线从与所述液晶导向偶极子垂直且与所述基片倾斜的方向射入时，倾斜角与透射系数之间的关系；

图4为一图表，说明当显示白色，光线从与所述液晶导向偶极子相同且与所述基片倾斜的方向射入时，倾斜角与透射系数之间的关系；

图5为图解示意图，显示常规IPS系统的有源矩阵液晶显示屏的结构，并说明偏振轴与电场方向之间的关系；

图6为一图表，说明电压与常规TN系统的有源矩阵液晶显示屏的透射系数间的关系；

图7为示意图，显示常规IPS系统的有源矩阵液晶显示屏的一偏振轴，光线方向，方位角和天顶角；

图8为一图表，说明当不施加电压时，在不同的常规IPS系统的有源矩阵液晶显示屏的预倾斜角下，天顶角与透射系数间的关系；

图9为一图表，说明当施加或不施加电压时，常规IPS系统的有源矩阵液晶显示屏中预倾斜角为3度，天顶角与透射系数间的关系；

图10为一图表，说明当施加高电压时，常规IPS系统的有源矩阵液晶显示屏的天顶角与透射系数间的关系；

图11(a)和11(b)分别为剖面图和平面图，显示本发明的有源矩阵液晶显示屏的第一实施例；

图12(a)至12(d)为示意图，说明控制液晶层厚度的一种方法，而其中图12(a)为备有垫片的滤色器的剖面图，图12(b)显示与有源矩阵基片组合的滤色器的视图，图12(c)是形成保护涂层时的剖面图，而图12(d)是形成粒状垫层时的视图；

图13(a)和13(b)分别为剖面图和平面图，显示本发明的有源矩阵液晶显示屏的第二实施例；

图14为一图表，说明滤色器的透射系数频谱特性的一个实例；

图15为一图表，说明显示白色时、光线从与所述液晶导向偶极子垂直且与基片倾斜的方向射入本发明的有源矩阵液晶显示装置时，倾斜角度与透射系数之间的关系；

图16为一图表，说明显示白色时，光线从与所述液晶导向偶极子相同且与基片倾斜的方向射入本发明的有源矩阵液晶显示装置时，倾斜角度与透射系数之间的关系；

图17为一视图，显示在本发明的有源矩阵液晶显示装置中形成的垫片的结构的例子；

图18为一视图，显示本发明的有源矩阵液晶显示装置的第三实施例；

图19为本发明的第四实施例的有源矩阵液晶显示屏的剖面图；

图20为本发明的第四实施例中有源矩阵基片的平面图；

图21为一示意图，说明在本发明第四实施例中所述偏振轴、液晶导向偶极子和光学补偿层的折射率各向异性轴之间的关系；

图22为一图表，说明当不施加电压或施加一低电压时，本发明的第四实施例的天顶角与透射系数间的关系；

图23为一图表，说明当施加一高电压时，第四实施例的天顶角与透射系数之间的关系；

图24为第五实施例的有源矩阵液晶显示屏的剖面图；

图25为第六实施例的有源矩阵液晶显示屏的剖面图；

图26为第七实施例的有源矩阵液晶显示屏的剖面图；

图27为第八实施例的有源矩阵液晶显示屏的剖面图。

(第一实施例)

参照图11(a)和11(b)描述第一实施例。形成像素的每一像素电极3连接到以扫描线16作为其门电极的薄膜晶体管的源电极，而薄膜晶体管的漏电极与信号线1相连。所述像素电极3具有与所述信号线1平行的纵向方向，并有通过相对电极总线17连接的相对电极2。

液晶层4被保持在两玻璃基片10之间，而取向膜23设置于两基片介面上，并且通过在摩擦方向摩擦它们使其在与图11(b)的摩擦方向24一致的方向取向。

设置于所述两玻璃基片10外侧的一对偏振板5具有相互垂直的偏振轴，而所述偏振板5之一的偏振轴与液晶层4的初始取向方向重合。

在具有上述结构的横向电场型液晶显示装置中，当所述像素电极3与相对电极2之间的电位差为0时，显示黑色，而随着电位差的增大，液晶层4被旋转引起双折射从而提高透射系数。当所述液晶层4被旋转到约45度时，亮度达到最大值。

滤色器设置在相对基片上，且包括色层6、7和8以便各自有选择地分别使红色、绿色和兰色通过，并且形成黑色矩阵9以防止从进行有效显示控制的显示区域以外的其他区域漏光。

对每一像素，液晶层的液晶盒厚度4根据滤色器所选择的颜色而改变，使得它对红色可以为dR、对绿色为dG，而对兰色为dB。在这种情况下，如果由滤色器颜色代表的波长设为红色λ_R、绿色λ_G，而兰色为λ_B，那么可决定相应于各颜色的液晶层4的层厚度以满足以下表达式：

d_R/λ_R＝d_G/λ_G＝d_B/λ_B         (20)

为了以此方式改变针对滤色器的各种颜色的液晶层4的液晶盒厚度，如图12(a)所示的一种备有垫片26的滤色器基片和一种其上形成有TFT阵列的基片，以图12(b)所示的方式结合在一起，而液晶注于所述两基片之间以形成显示屏。需要注意的是，垫片26形成在黑色矩阵9上、在相对基片相应于扫描线16与信号线1间的交叉位置上。因此，在两基片如图12(b)的方式结合在一起的情况下，垫片26具有如图11(b)所示的那种垫片接触部分14。

当滤色器的各色层的透射系数保持与具有图1 4所示透射系数特性的常色滤色器的相等时，在液晶层4的厚度中，仅使色层的薄膜厚度不同，以便满足表达式(20)。这里，当垫片26的高度以t_s表示，黑色矩阵9的厚度以t_M表示，而扫描线16和信号线1的厚度分别以t_V和t_H表示时，这样控制R、G和B色层的薄膜厚度t_R、t_G和t_B以便满足

t_s＝t_R+t_G+t_B          (21)

在这种情况下，可根据色层的薄膜厚度而调整弥散在各色层中的颜料的深度。

也可在图12(a)所示的滤色器上形成象图12(c)所见的保护层，以防止杂质从色层选出。

还有，为使两基片相互以固定的距离平行地隔开，如图12(d)均匀喷涂的粒状垫层25可用于代替具有垫片的滤色器的垫片。

还有，虽然在本实施例中，垫片26设置在扫描线16与信号线1间的交叉点，但是，它们并不必须在那些位置设置，如果基片可互相保持固定间距，垫片可以设置在像素的任何位置。然而，最好在不对显示产生影响且被黑色矩阵9覆盖的位置设置所述垫片26。在这种情况下，由于由垫片26形成的液晶层的厚度因布线图案或绝缘膜而稍有差异，就要求基于此种差异设计垫片26的高度。(第二实施例)

图13(a)和13(b)分别为剖面图和平面图，显示了本发明的有源矩阵液晶显示装置的第二实施例。

如图13(a)和13(b)所示，除了在相应于绿色的像素20和相应于兰色的像素21之间的像素电极3与相对电极2之间的距离不同，以及有数值孔径调整部分22之外，本实施例与第一实例相同。

如图13(a)和13(b)所示，由于使像素电极3与相对电极2之间的距离不同，所以可以通过施加相同的电位差来实现在不同的颜色中旋转液晶层4所需的不同的横向电场强度，这种不同是由液晶层4的厚度差异引起。由此，简化了驱动过程。

还有，设置了数值孔径调节部分22，以便利用象与相对电极2相同的层或与像素电极3相同的层那样形成的不透明金属层，防止保持在像素电极3和相对电极2之间的有效显示面积在一个像素中所占的比例，即数值孔值，改变像素电极3与相对电极2间的距离    。由于在相应于红色的像素19的情况下像素电极3与相对电极2之间的距离最大，并依绿色和兰色的顺序减小，所以，在相应于红色的像素19的情况下数值孔径调节部分22的面积最大，而在相应于绿色的另一像素20的情况下就相当小、在相应于兰色的像素21的情况下就没有提供数值孔径调节部分22。

其他结构就与所述第一实施例完全一样了。

在下面，利用包括生产方法在内的具体值，对上述实施例的操作实例加以详细描述。

首先，描述作为第二基片的有源矩阵基片的生产方法。

在透明玻璃基片10上淀积150毫微米厚的铬(Cr)薄膜并构成图案，作为由此形成信号线1、相对电极2和相对电极总线17的金属层。

然后，依次淀积门绝缘膜11、400毫微米厚的氮化硅膜、350毫微米厚的、非掺杂无定形硅膜和30毫微米厚的n型无定形硅膜。

然后，按照岛状无定形硅18的图案形成n型无定型硅膜和非掺杂无定形硅层。

然后，淀积厚150毫微米的Cr膜并制成图案，作为由此形成信号线1和像素电极3的金属层。

然后，形成保护绝缘膜12，而所述保护绝缘膜12在其上周围接线端子位置被去掉以接通TFT阵列。在这种情况下，形成所述像素电极3和相对电极2的图案，使得它们之间的距离，如图11(a)和11(b)所示，在对相应于所有颜色的像素的情况下可以固定为10微米。

现在，描述作为第一基片的滤色器基片的生产方法。

在透明玻璃基片上形成含碳的0.1微米厚度的光敏聚合物，并利用光刻技术形成黑色矩阵层9。

然后，在所述基片上形成含有红色颜料的光敏聚合物，而在形成红色滤色器以外的区域的所述光敏聚合物，利用光刻技术去掉，以形成红色滤色器6。

然后，进行类似的步骤，依次形成绿色滤色器7和兰色滤色器8。

以这种方法产生的滤色器具有图14所示的透射系数频谱。

接下来，描述形成垫片的方法。

图17为视图，显示在本发明的有源矩阵液晶显示装置中形成的垫片的结构的实例。

如图17所示，以将所有色层分层的方式形成垫片26。以此种方式形成垫片26，所述垫片的高度t_s由(21)给出

t_s+t_M+t_v+t_H＝t_R+d_R＝t_G+d_G＝t_B+d_B    (21)考虑到扫描线16与信号线1的厚度为0.15微米，和表达式(21)所给出的关系，R、G和B的色层的厚度t_R、t_G和t_B分别设为0.96微米、1.45微米和2.15微米，各颜色像素的液晶层4的厚度，红色为5.0微米、绿色为4.5微米，而兰色为3.8微米。

以上提及的液晶层4的厚度提供了波长和液晶层厚度之间的、对于滤色器的各颜色相等的比值，这里，从如图14中所示的滤色器的透射系数频谱中选择λ_B＝460毫微米、λ_G＝550毫微米和λ_R＝610毫微米，作为滤然器代表波长。

在以这种方法生产的滤色器上，形成厚度为0.1微米的保护层13。

在以上述方式生产的所述有源矩阵基片和滤色器基片上均镀敷取向膜23，并按照图11所示的摩擦方向24摩擦。然后，两基片相互粘在一起，用密封材料在其周边相互固定在一起，然后，液晶被注入并密封在所术基片间的空隙中，以形成液晶屏。

在以上述方法生产的液晶屏中，由于代表滤色器的波长和所述液晶层的厚度的比值对滤色器的各颜色基本上相等，所以，以上所述原理适用于此液晶屏，因而，可以获得无着色的良好的显示特性。

虽然在上述操作实例中，在滤色器上形成了所述保护层，但是，如果色层的稳定性足够高，就不一定要形成所述保护层。

还有，虽然在上述操作实例中，通过涂敷滤色器的色层来形成垫片26，但是，也可以按照另一种方式，利用光刻技术形成不同的层来构成垫片26。此外，可以通过涂敷色层和所述不同层，把两种技术结合起来以构成垫片26。

此外，在所述滤色器上不需要形成垫片26，而是如图12(d)所示，可以在组合液晶时喷涂粒状垫层，以控制所述液晶层的厚度。

此外，在上述操作实例中，虽然通过使所述滤色器的各色层的厚度互不相同来与各种颜色对应地改变所述液晶层的厚度，但是，也可以通过在各个层上涂敷不同于色层的介质层、同时改变各介质层的厚度，来控制相应于各颜色的液晶层的厚度，如图18所示。

图17为视图，显示本发明的有源矩阵液晶显示装置的另一实施例。

此外，利用相同的生产过程，同时按照如图13所示的方式改变像素电极3和相对电极2的图案，可由所述第二实施例获得一液晶显示屏。

在这种情况下，像素电极3与相对电极2之间的距离，对于相应于红色的像素设为11微米，对于相应于绿色的像素设为10微米，而对于相应于兰色的像素设为8.5微米。还有，为防止保持于像素电极3与相对电极3之间的显示区域的面积对于各种颜色不同，为相应于红色的像素19和相应于绿色的像素20提供了数值孔径调节部分22。因而，虽然在第一实施例的操作实例中，为获得最大亮度所需的像素电位与相对电位之间的电位差对各颜色不同，但是，在所述第二实施例的操作实例中，通过施加6.0V，相应于所有颜色的像素都获得了最大亮度。此外，由于对于所有颜色，不需结构上的特殊措施，获得了相等的数值孔径，而成功地获得了良好的白色特性。

由于本发明以上述方式构成，所以，它呈现以下效果。

在如权利要求1和2中所陈述的有源矩阵液晶显示装置中，由于所述液晶层具有视色层的透射波长而不同的厚度，所以，所述有源矩阵液晶显示装置，无论从何方向观看，均可提供无着色的非常良好的显示。

在如权利要求3中所陈述的有源矩阵液晶显示装置中，由于把像素电极与相对电极之间的距离设置为各色层不同，所以，可对相应于各色层的像素电极施加相等的电压，以达到上述的效果，因此，简化了驱动过程。

在如权利要求4中所陈述的有源矩阵液晶显示装置中，由于在邻近第二基片的第一基片的表面形成保护层，所以，防止了杂质从各色层逸出。

图19为剖面图，显示了本发明的有源矩阵液晶显示屏的第四实施例的主要部分，而图20为所述有源矩阵液晶显示屏的有源矩阵基片A的平面图。对所述IPS系统的有源矩阵基片A(在本实施例中，在光入射侧)加以描述。在玻璃基片10(透明绝缘基片)上形成通过相对电极总线1 7连接的多个相对电极2和扫描线16，而以覆盖所述相对电极2与扫描线16的方式形成栅绝缘膜11。此外，在所述栅绝缘膜11上形成：组成薄膜晶体管(后文简称为“TFT”)的岛状无定形硅18，它是一种有源元件；多个像素电极3和信号线1。所述像素电极3与信号线1在平行于所述相对电极2的方向延伸。进一步地，以分层关系形成保护绝缘膜12和取向膜23。所述TFT的源电极与像素电极3相连接，而其漏电极与信号线1相连接，而所述扫描线16作为TFT的栅电极。以这种方法形成了具有TFT的IPS系统的所述有源矩阵基片A。需要注意的是，在后文扫描了生产的具体方法。

滤色器基片C(在本实施例中，在光出射侧)，包括：与在所述有源矩基片A一侧的膜一样的取向膜56，它被形成于另一玻璃基片(透明绝缘基片)10的两个表面之一上；以及由塑料膜形成的光学补偿层35，它形成于所述玻璃基片10的另一表面。

所述有源矩阵基片A和滤色器基片C被这样安装，使得其取向膜彼此相对，并且在所述两基片的外侧设置有一对偏振板，同时，在所述两基片的取向膜23之间，形成具有正折射率各向异性的液晶层4。需要注意的是，在光入射侧的偏振板作为偏振板5，而在光出射侧的偏振板作为检偏振器34。

图21说明了所述偏振器的偏振方向48、所述检偏振器的偏振方向46、液晶分子的导向偶极子方向51、所述光学补偿层的折射率各向异性轴的方向47、基片法向49、所述电极纵向以及电场方向52之间的关系。所述基片法向49、所述电极的纵向50和电场的方向52相互垂直延伸。图21中的每条虚线代表所述偏振器的偏振方向48。所述偏振方向48在平行于基片平面53的方向延伸，并且与相对电极的纵向50形成固定角度。所述检偏振器的偏振方向46与所述偏振器的偏振方向48相垂直。

各液晶分子借助于取向膜23一致取向，而其导向偶极子51(纵向方向)相对于所述基片平面53倾斜一固定角度(预倾斜角)。所述预倾斜角通常在约1°至10°的范围。所述液晶分子的导向偶极子51在基片平面53上的投影，以与所述偏振器的偏振方向48平行的方延伸，所述光学补偿层的折射率各向异性轴47，平行于导向偶极子51的方向延伸。所述检偏振器的偏振方向46，在垂直于所述偏振器的偏振方向48且平行于基片平面53的方向延伸。

一些常规的横向电场型有源矩阵液晶显示屏基于以下理论控制。具体地说，像素电极与相对电极之间的电位差为0时(当不施加电场时)，光线被偏振器和检偏振器吸收，显示黑色。然而，如果施加一电场，所述导向偶极子被旋转，且随着所述电位差的增大，所述导向偶极子51被进一步旋转。因而，在通过液晶层的光线中不被吸收的分量增加及透射系数增大，接近白色显示。然后，当所述导向偶极子51被旋转到约45度时，所述透射系数(亮度)呈最大值。

然而，通常即使基于此理论进行控制，显示不良的情况也时有发生。如上所述，当从倾斜方向观看基片时，主要由于以下事实，即，通过所述偏振板5后，线性偏振光通过所述液晶层4时经历一种延迟，使得它转变成椭圆偏振光，即便在不施加电场且所述液晶分子不被旋转时，光线有时也从液晶层进入检偏振器34，同时它包括不能被所述检偏振器34吸收的偏振光分量。根据在考虑预倾斜角度的方向与所述光线  方向间关系的情况下进行的具体数字计算的结果，当从方向54观看时(参照图21)，与没有液晶层4而仅从相同方向54观看所述正交尼科尔的偏振板时相比，所述透射系数非常高。换句话说，显示黑色时，它看起来相当白，这就损害了显示品质。

因而，在本发明中，提供了光学补偿层35。在本实施例中，所述具有负单轴折射率各向异性的光学补偿层35被形成于所述玻璃基片10和检偏振器34之间，而它的折射率各向异性轴47在平行与液晶层4的导向偶极子51的方向延伸，同时，液晶层4中的主光轴和光学补偿层35中的主光轴在基本上相同的方向延伸。当光线通过所述液晶层4时，它由于延迟而经历了偏振板的失真，并且以此方式失真的偏振板利用光学补偿层35加以补偿，使得光线的偏振情况接近于光线刚刚穿过所述偏振器5时的偏振情况(线性偏振)。然后，光线通过所述光学补偿层35后，它被所述检偏振器34吸收，因此显示黑色。这样，本发明呈现了这样的效果：黑色显示中的白色浮动，可利用消除延迟加以抑制，所述延迟是当利用与入射光方向无关的光学补偿层35显示黑色时，在液晶层4中发生的。此外，除此对其他任何视角特性几乎没有影响。因此，可以获得具有很广的视角特性的液晶显示屏。

如上所述，由于所述光学补偿层35的光轴的方向47(折射率各向异性轴)，与所述液晶层4的光轴的方向51(导向偶极子方向)相同，所以，不论光线以何角度射入，当光线通过所述液晶层4时光线的主光轴，和当光线通过光学补偿层35时的主光轴基本上彼此相同，并且具有正折射率各向异性的液晶层4，和具有负折射率各向异性的光学补偿层，可被有效地相消。此外，即使存在在此方向有折射率各向异性轴的光学补偿层35，当从正面观看所述液晶显示屏时，透射系数根本不会因它而不同，而白色的视角特性和除黑色外的半色调差别也很小。因而，可以有效地防止黑色显示的白色浮动和灰度反转，达到更佳的视角特性。

当光线通过所述液晶层4时光线偏振板的失真包括与所述主光轴和光路长度的乘积成正比增长的延迟。为了校正这种失真，利用所述光学补偿层35在相反方向施加延迟。如果所述液晶层4和光学补偿层35关于普通光线的折射率基本上彼此相等，那么层厚度与光路长度的比值就基本上彼此相等。此外，由于折射率的各向异性轴相互一致，且在光线通路上的主轴也基本上互相一致，所以，主光轴与各层的折射率各向异性之间的折射率差也彼此正比地增长。由上所述，利用将液晶层4的折射率各向异性Δn_LC和液晶层厚度d_LC的乘积    Δn_LC*d_LC，及光学补偿层35的折射率各向异性Δn_F和层厚度d_F的乘积Δn_F*d_F基本上相互一致，在所述液晶层中产生的偏振板的失真(延迟)，可由光学补偿层基本上完全校正，白色浮动可被抑制到基本上等于仅使用正交尼科尔时获得的水平。

需要注意的是，如上所述，为达到更完全的补偿，所述液晶层4对普通光的折射率与光学补偿层35对普通光的折射率最好设为互相相等。当它们的折射率相互不同时，以细微的方向差异通过各层的光线，导致主光轴方向的细微差异，在主轴的折射率上产生差异和在光路长度上产生差异，不能达到完全补偿。然而，如果它的折射率相互一致，那么主光轴相互完全一致，所述液晶层4和光学补偿层35的延迟补偿可更完全。

如图21所示，当从与所述偏振器的偏振轴48的方向成45度天顶角的方向观看基片时，有源液晶显示屏中所述天顶角55与透射系数间的关系在图22加以说明。没有光学补偿层35时，如图9中所见，透射系数在约35度的很小的天顶角55处反转，利用光学补偿层35，透射系数出现反转的天顶角55可提高10度或更多，当透射系数反转出现时，亮度可被抑制到相当低的水平。

在图23中说明了没有光学补偿层35的情况下，从倾斜方向观看所述有源液晶显示屏时，其施加电场的部分白色亮度减小，而在图10中说明了提供光学补偿层35的情况下，从倾斜方向观看所述有源液晶显示屏时，其施加电场的部分白色亮度的减小。从图23和图10中可以看到，利用包括所述光学补偿层35的液晶显示屏，白色亮度的减小被抑制到比利用没有包括光学补偿层的显示屏更小，而在光学补偿层35的作用下，在黑色显示部分和白色显示部分，显示品质的失真均被抑制到很低。

下面详细描述生产具有上述结构的液晶显示屏的方法的例子。

首先，扫描生产所述有源矩阵基片A的方法。

作为构成扫描线16、相对电极2和相对电极总线17的金属层，在透明玻璃基片上形成150毫微米厚的Cr膜，并制成图案。进一步地，作为栅极绝缘薄膜11，相继形成400毫微米厚的氮化硅膜、350毫微米厚的非掺杂无定形硅膜和30毫微米厚的n型无定形硅膜。之后，将n型无定形硅层和非掺杂无定形硅层构成图案，以形成岛形无定形硅18。然后，作为构成信号线1和像素电极3的金属层，形成150毫微米厚的Cr膜并制成图案。进一步地，形成保护绝缘膜12，并将其周围接线端部分去掉，从而接通TFT。

分别把取向膜23和56加到以上述方式生产的所述有源基片A和滤色器基片C上。按图19中的方向24摩擦所述有源矩阵基片上的取向膜23。并且，按照与图24中方向24相反的方向摩擦滤色器基片C上的取向膜56。这样设置所述两基片，使得两取向膜23和56彼此相对，且在其周边部分以密封件(未示出)将其相互固定。此后，液晶被注入并密封在两取向膜之间的间隙中以形成所述液晶层4。需要注意的是，所述液晶导向偶极子51基本上被取向膜23和56按液晶层4上的固定方向取向。在本实施例中，所述液晶导向偶极子51和基片平面53之间的预倾斜角为3度。所述注入的液晶对普通光的折射率为n_o＝1.476，而折射率各向异性为Δn＝0.076，为优化白色显示的亮度和彩色再现特性，所述液晶盒的间隙设置为4.5微米。

进一步地，把用作光学补偿层35的塑料膜加到所述滤色器基片的外侧。所述光学补偿层35具有负单轴折射率因子各向异性，且该折射率各向异性轴在平行于所述液晶导向偶极子51的初始取向的方向延伸，即在相对于基片平面成3度角的方向。光学补偿层的折射率各向异性Δn_F和层厚d_F的乘积Δn_F*d_F被设置为等于所述液晶层的折射率各向异性与层厚度的乘积，且为302毫微米。

加上两偏振板，使得所述有源矩阵基片A和滤色器基片C被夹在它们之间。在这种情况下，所述偏振器5(光线入射侧偏振板)的偏振轴48，在平行于摩擦方向24的方向延伸，而检偏振器34(光线出射侧偏振板)的偏振轴在垂直于所述偏振轴48的方向延伸。

以这种方法生产的液晶显示屏已被实际应用。应用的结果表明，成功地获得了良好的显示特性，其中在比以往更大的视角范围内获得稳定的黑色电平，并且，几乎未发现灰度反转，所述液晶显示屏可用于上下方向及左右方向超过50度的视角范围内。

接着，参照附图详细描述本发明的第五实施例。

本实施例的所述有源液晶显示屏具有几乎与第四实施例相同的结构，并以几乎相同的方法生产，但与第四实施例在两取向膜57和58的取向方向上，及液晶分子的所述导向偶极子与基片平面之间所形成的角度上不同。

图24为剖面图，显示沿着包含偏振器的偏振轴和基片法线的平面所取的所述液晶显示屏的剖面，以便显示液晶分子的导向偶极子的方向59和光学补偿层60的折射率各向异性轴的方向61。这里，所述信号线1、扫描线16、岛状无定形硅18、像素电极3、相对电极、偏振器为偏振方向48、检偏振器的偏振方向76等，具有与所述第四实施例(参照图19至21)相同的结构。

按照相同的方向(与图20中的方向24相同)对所述取向膜57和58进行取向处理(摩擦)。所述液晶分子的导向偶极子的方向59在液晶层62中变化。虽然所有液晶分子的导向偶极子在基片平面上的投影，在平行于偏振器的偏振方向48的同一方向延伸，但是，在光线入射侧基片介面和光线出射侧基片介面之间液晶分子的导向偶极子59与所述基片平面之间形成的角度是不同的。在分别以θ₁和θ₂表示所述角度的情况下，导向偶极子相对于基片平面的角度θ_LC，在两介面间连续地改变，并且，以这样的方式分布，使得应变能量最小。

由加于滤色器基片C外侧的塑料膜形成的所述光学补偿层，具有负单轴折射率各向异性轴，而折射率各向异性轴的方向61被这样设置，使得其在基片平面上的投影，在平行于偏振器的偏振轴48和液晶分子的导向偶极子59在基片平面上的投影的方向上延伸。进一步地，所述光学补偿层的各向异性轴和基片平面间形成的角度θF在层的内部一致，且θ₂＜θ_F＜θ₁，在本实施例中为0.45度。需要注意的是，在另一种情况下，如果θ₁＜θ₂，那么角度θ_F被设置为满足θ₁＜θ_F＜θ₂。所述液晶的材料和液晶显示盒厚度与第四实施例中相同，并且，在本实施例中，光学补偿层的折射率各向异性Δn_F和层厚d_F的乘积Δn_F*d_F，等于所述液晶层62的折射率各向异性与层厚的乘积，且为302毫微米。

加在所述液晶显示屏外侧的两偏振板间的偏振器5的偏振轴48，在平行于摩擦方向24的方向延伸，且检偏振器34的偏振轴在垂直于所述摩擦方向24的方向延伸(参考图20)。

在本实施例中，可以通过模拟或试验来决定θ_F的优化值，虽然因为在液晶层中的主光轴在厚度方向上变化，使得模拟或试验并不简单。为方便，可以用θ_F＝(θ₁+θ₂)/2的形式给出θ_F的优化值。使用θ_F的优化值显示黑色时，所述液晶层62的延迟和所述光学补偿层60的延迟相互很好地抵消，而在黑色显示时的白色浮动可被抑制到正交尼科尔的程度。

以上述方式生产的有源矩阵液晶显示屏，与所述第四实施例中相似，具有很广阔的视角特性。

需要注意的是，为得到良好的黑色显示，液晶分子的导向偶极子在基片上的投影通常被保持在基本上与一侧的偏振板的偏振轴一致。然后，所述光学补偿层60的折射率各向异性轴在基片上的投影被设置为相同的方向。进一步地，在所述光学补偿层的折射率各向异性轴与所述基片平面之间形成的角度θ_F，可被设置在θ₁和θ₂之间的适当位置，使得白色浮动被有效地抑制。

接下来，参考附图详细描述本发明的第六实施例。

本实施例的有源矩阵液晶显示屏，几乎与所述第五实施例中的显示屏具有相同的结构，且以几乎相同的方法生产，但与所述第五实施例在光学补偿层63和基片平面间的角度方面不同。

图25为剖面图，显示沿着包含偏振器5的偏振轴和基片法线的平面所取的所述液晶显示屏的剖面，以便显示液晶分子的导向偶极子的方向64和所述光学补偿层63的折射率各向异性轴的方向65。这里，信号线1，扫描线16，岛状无定形硅18，像素电极3，相对电极2，偏振器的偏振方向48，检偏振器4的偏振方向46等等具有与所述第五实施例中相同的结构(参见图19至21)。

与第五实施例中相似，按照相同的方向(与图20中的方向24相同)对取向膜57和58进行取向处理(摩擦)。所述液晶分子的导向偶极子的方向64在液晶层66中变化。虽然所有液晶分子的导向偶极子在基片平面上的投影，在平行于偏振器5的偏振方向48的相同方向延伸，在光线入射侧基片介面和光线出射侧基片介面之间，液晶分子的导向偶极子与所述基片平面之间形成的角度是不同的。在分别以所述角度θ₁和θ₂表示时，导向偶极子相对于基片平面的角度θ_LC(z)，在两介面间连续地改变，并且，以这样的方式分布，使得应变能量最小。

两偏振板以这样的方式粘合，即，将两基片夹持它们之间，两偏振板的光线入射侧偏振板(偏振器)5的偏振轴，在平行于摩擦方向24(参见图20)的方向延伸，而光线出射侧偏振板(检偏振器)34的偏振轴在垂直于摩擦方向24的方向延伸(参见图24)。

所述光学补偿层63具有负单轴折射率各向异性，且被这样设置，使得所述折射率各向异性轴在基片平面上的投影总在平行于偏振器的偏振方向48和液晶分子的导向偶极子在基片平面上的投影的方向上延伸。进一步地，如图25所示，在光学补偿层的折射率各向异性轴65和所述基片平面之间形成的角度在所述层内变化，并且此角度为深度方向坐标ξ的函数θ_F(ξ)。θ_LC(z)和θ_F(ξ)被设置为满足以下关系：

   0_F(ξ)＝0_LC(z)                 (22)

   ξ＝z·d_F/d_LC                  (23)

其中，d_F为所述光学补偿层的厚度，d_LC为所述液晶层的厚度，而θ_LC(z)为在所述液晶层66的深度z的位置上，液晶分子的导向偶极子与基片平面之间形成的角度。

θ_LC(z)按照以下表达式分布： ${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{LC}}\left(z\right)={\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2\·\frac{z}{d_{\mathrm{LC}}}+{\mathrm{\θ}}_2----\left(24\right)$

如果改变所述光学补偿层的折射率各向异性轴以便满足以上给出的关系，则彼此对应的基片(slab)表面相互补偿，因而，效率很高。

需要注意的是，所述液晶的材料和液晶盒的厚度与所述第四实施例中相同，而光学补偿层的折射率各向异性Δn_F和层厚d_F的乘积  Δn_F*d_F，等于所述液晶层的折射率各向异性与层厚的乘积，且在本实施例中为302毫微米。

在本实施例中，由于在所述液晶层中主光轴在深度方向z变化，通过根据所述变量而改变θ_F(ξ)，与所述第五实施例相比，可获得更好的黑色显示的视角特性。

在上述三个实施例中，所述检偏振器34和玻璃基片10之间形成光学补偿层。然而，光学补偿层67也可如图26所示，夹持在所述偏振器5和玻璃基片10之间。在这种情况下，如果诸如光学补偿层67的折射率各向异性轴的方向与上述三个实施例之一相同，可以达到几乎相同的效果。

同时，还可采用其他结构，如图27所示，在所述检偏振器34和玻璃基片10之一之间以及所述偏振器5和另一玻璃基片10之间均形成光学补偿层68和69。如果它们的各向异性轴的方向设置为相互平行，且两光学补偿层的Δn和d的乘积之和被设定为等于所述液晶层4的Δn_LC*d_LC，那么可以达到几乎完全的补偿。

此外，虽然在上述各实施例中，偏振器的偏振轴和液晶分子的导向偶极子在基片平面上的投影被设置为相互平行，但是，即使将检偏振器的偏振轴和液晶的导向偶极子在基片平面上的投影设置为相互平行，且偏振器的偏振轴被设置为与之垂直，亦可达到相似的效果。

如上所述，根据本发明，由于在有源矩阵液晶显示屏中具有负单轴折射率各向异性轴的光学补偿层，所以，在液晶层中产生的延迟可被消除，抑制了黑色显示部分的白色浮动，并且，灰度反转可被显著抑制，并达到在更广的视角范围的良好的图像特性。

Claims (6)

1.一种有源矩阵液晶显示屏，其特征在于包括：

其上相互平行地形成透射波长互不相同的多个色层的第一基片；

以与所述第一基片相对的关系设置的、与所述第一基片距离预定间隙、用来在施加预定电压时产生预定电场的第二基片；

与所述色层对应地形成的多个像素电极；

与所述像素电极平行地形成的多个相对电极；和

由注入所述第二基片的相邻于所述第一基片的表面与所述第一基片的相邻于所述第二基片的表面之间的间隙的液晶形成的液晶层；

由所述第二基片产生的所述电场基本上平行于所述液晶层以控制显示；

所述液晶层具有根据所述色层的透射波长而改变的厚度。

2.权利要求1中的有源矩阵液晶显示屏，其特征在于所述液晶层具有与从一定波长范围中选出的一种波长成正比地增加的厚度，在所述波长范围内，所述色层的透射系数高于所述色层透射频谱的峰值的70％。

3.权利要求1中的有源矩阵液晶显示屏，其特征在于所述第二基片包括：

与所述色层对应地形成的多个像素电极，所述预定电压施加于所述像素电极上，和

针对每一色层与所述像素电极平行地形成的多个相对电极，用来在所述电压施加于所述像素电极时，与所述像素电极协同产生其间的所述电场，

所述像素电极和所述相对电极彼此按照针对各个色层而不同的距离隔开。

4.权利要求3中的有源矩阵液晶显示屏，其特征在于所述第一基片具有在其邻近于所述第二基片的表面上形成的保护层，用来防止杂质从所述色层逸出。

5.权利要求2中的有源矩阵液晶显示屏，其特征在于所述第二基片包括：

与所述色层对应地形成的多个像素电极，所述预定电压施加于所述像素电极上，以及

针对每一色层与所述像素电极平行地形成的多个相对电极，用来在所述电压施加于所述像素电极时，与所述像素电极协同产生其间的所述电场，

所述像素电极和所述相对电极彼此按照针对各个色层而不同的距离隔开。

6.权利要求5中的有源矩阵液晶显示屏，其特征在于所述第一基片具有在其邻近于所述第二基片的表面上形成的保护层，用来防止杂质从所述色层选出。

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