Элемент жидкокристаллического дисплея

Изобретение относится к индикаторной технике. Элемент содержит три последовательно расположенные жидкокристаллические (ЖК) ячейки, входную маску со щелями, растровый конденсор, растровый объектив, выходную маску со щелями, положение которых согласовано с положением щелей входной маски и учитывает расстояние от слоя ЖК до щелей выходной маски. В каждой из трех ячеек формируется один из трех первичных цветов за счет электрически управляемой дифракционной решетки, сформированной в слое ЖК при подаче на него управляющего напряжения. Технический результат - элемент обладает высокой яркостью и независимыми, спектрально чистыми первичными цветами. 1 ил.

 

Изобретение относится к индикаторной технике, в частности к цветным жидкокристаллическим дисплеям, в которых окрашивание изображений производится последовательным переключением управляемых цветных фильтров.

Известен элемент ЖК дисплея (см. патент США № 4019808) [1], содержащий три ЖК ячейки, каждая из которых содержит слой ЖК с закрученной на 90° структурой, заключенный между двумя подложками, двулучепреломляющую пластину и два поляроида. Один слой ЖК в комбинации с двулучепреломляющей пластиной может служить как управляемый фильтр, пропускающий белый свет в отсутствие управляющего напряжения или выделяющий один определенный цвет, если напряжение приложено. Два других слоя ЖК в комбинации с пластинами с другой величиной двулучепреломления обеспечивают выделение еще двух цветов.

Недостатками известного элемента являются значительные потери света, обусловленные поглощением в четырех последовательно расположенных поляроидах, дороговизна изделия, включающего 4 поляроида, три двулучепреломляющие пластины, требующие тонкой юстировки, значительная толщина конструкции. Кроме того, спектральные полосы пропускания по каждому цвету достаточно широкие и перекрываются, исключая возможность получения чистых первичных цветов.

Ближайшим по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является элемент жидкокристаллического дисплея (см. патент РФ № 2201611 «Элемент жидкокристаллического дисплея») [2], включающий входную и выходную маски со щелями, взаимное расположение которых согласовано, растровый конденсор, растровый объектив и слой жидкого кристалла, заключенного между двумя прозрачными подложками с прозрачными электродами. Электрод на одной из подложек выполнен в виде гребенок с взаимно проникающими зубцами. Период зубцов одной гребенки 2d, суммарный период период двух гребенок d. Электрод на второй подложке выполнен в виде полосок с периодом 1,5 d. В исходном состоянии никакой свет не проходит сквозь щели выходной маски. Комбинируя схему подачи напряжений к трем системам электродов, можно обеспечить прохождение сквозь элемент одного из трех цветов. При использовании одного слоя ЖК элемент имеет 3 цветных оптических состояния и четвертое непрозрачное состояние, конструкция плоская.

Основным недостатком известной конструкции является сильная связь между тремя цветами, которые может пропускать элемент, и потому ограниченные возможности юстировки цветов. Обусловлено это тем, что периоды электродов на одном из электродов жестко связаны между собой (2d и d), поэтому длины пропускаемых волн отличаются точно в 2 раза. Третий цвет, получаемый при периоде 1,5 d, не является спектрально чистым, поскольку ширина щели выходной маски может быть сужена только до некоторого предела, после которого станет невозможным выделить первые два цвета. В системах цветного телевидения, например, с последовательной передачей цветов требуется очень точная юстировка положения каждого из цветов на шкале длин волн и четко определенный спектральный состав, чего не может обеспечить известный элемент.

Целью настоящего изобретения является обеспечение возможности точной и независимой юстировки каждого цвета.

Поставленная цель достигается тем, что в известный элемент, содержащий входную маску со щелями, цилиндрический растровый конденсор, по крайней мере, один слой жидкого кристалла, заключенного между прозрачными подложками с прозрачными электродами, из которых, по крайней мере, один выполнен в виде полосок с определенным периодом, цилиндрический растровый объектив и выходную маску со щелями, положение которых согласовано с положением щелей входной маски, введены второй и третий слои жидкого кристалла, каждый из слоев заключен между прозрачными подложками с прозрачными электродами, один из двух электродов, прилегающих ко второму и третьему слоям, выполнен в виде полосок со вторым и третьим периодом, соответственно, каждый из трех слоев расположен на различных расстояниях от выходной маски, щели выходной маски расположены симметрично относительно щелей входной маски на расстоянии S от осевой линии, проходящей через щель входной маски, периоды полосчатых электродов выбраны с возможностью формирования дифракционных решеток и пропускания через щели выходной маски одного из трех цветов, независимо от того, что слои жидкого кристалла находятся на разных расстояниях от выходной маски. Это обеспечивается за счет поддержки соотношения, связывающего, период полосчатых электродов, расстояние слоя ЖК от выходной маски, заданную длину волны и положение щели выходной маски.

Предложенная совокупность признаков позволяет получить абсолютно независимые первичные цвета, в том числе получение четвертого первичного цвета, сохранить малое поглощение модулируемого света, присущее прототипу, кроме того, обеспечить частоту повторения кадров такую же, как и в дисплеях с передачей цветов в одном кадре.

Сущность настоящего изобретения, поясняется чертежом, где приведены основные конструктивные элементы и их взаимное расположение.

Элемент жидкокристаллического дисплея состоит из трех жидкокристаллических ячеек 1, 2 и 3, каждая из которых включает слой жидкого кристалла 4, заключенного между подложкой 5 со сплошным прозрачным электродом 6 и подложкой 7 с прозрачными электродами 8, выполненными в виде полосок с определенным периодом. Период электродов 8 в каждой из ячеек 1, 2, 3 разный и задан образом, указанным ниже. Ячейки 1, 2, 3 расположены вплотную друг к другу и образуют пакет. В принципе, соседние подложки разных ячеек, находящиеся внутри пакета, могут быть совмещены и представлять собой единую подложку для двух ячеек с прозрачными электродами, нанесенными на обе стороны единой подложки.

С одной стороны пакета установлен цилиндрический растр-конденсор 9 с фокусным расстоянием fr. На расстоянии fr от конденсора установлена непрозрачная входная маска 10 со щелями, расположенными в фокусных линиях растра-конденсора. С другой стороны пакета, состоящего из трех ячеек 1, 2, 3, установлен цилиндрический растр-объектив 11 с фокусным расстоянием fo. В фокальной плоскости растра-объектива 11 установлена выходная маска 12 со щелями. Щели выходной маски 12 расположены на расстоянии S симметрично относительно осевой линии элемента 0-0, проходящей через щель входной маски. Входная маска 10 освещается лучами белого света 13, имеющего в своем составе компоненты с длиной волны λ_R,λ_G,λ_B.

Жидкокристаллические слои каждой из трех ячеек 1, 2, 3 расположены на разных расстояниях от выходной маски.

Подложки 5, 7 имеют обычную толщину 0,8-2 мм, толщины прозрачных электродов 6 и 8 - от 700 до 1000 нм, толщина слоя ЖК - от 2 до 20 мкм. Ввиду такого различия толщин элементов, составляющих ЖК ячейки, при дальнейшем описании будем учитывать только толщину подложек, а суммарную толщину электродов и слоя ЖК принимать равной 0 (электроды и слой ЖК образуют управляемую дифракционную решетку и ее толщиной по сравнению с толщинами подложек можно пренебречь).

ЖК слой ячейки 1 находится на расстоянии l₁=l_B от выходной маски, которое включает толщину 5 подложек и фокусное расстояние fo растрового объектива.

ЖК слой ячейки 2 находится на расстоянии l₂=l_G от выходной маски, которое включает толщину 3 подложек и фокусное расстояние fo растрового объектива.

ЖК слой ячейки 3 находится на расстоянии l₃=l_R от выходной маски, которое включает толщину одной подложки фокусное расстояние fo растрового объектива.

В исходном состоянии (на чертеже - крайняя левая часть участка ячейки, обозначенная как DARK) узкие лучи белого света 13 проходят сквозь щели входной 10 и поступают в растр-конденсор 9. Поскольку щели входной маски 9 расположены в фокусах растра-конденсора, то после прохождения конденсора они становятся практически параллельными, проходят три слоя ЖК и 6 подложек, фокусируются растром-объективом на выходную маску 12, образуя на осевой линии O-O нулевой порядок дифракции. В этом месте выходной маски находится непрозрачный участок, так что практически весь свет, прошедший сквозь щели входной маски, три слоя ЖК и 6 подложек, поглощается. Это и есть первое оптическое состояние элемента - ТЕМНО (DARK).

Если управляющее напряжение приложено к сплошному электроду 6 и полосчатому электроду 8, например, ячейки 3, то в слое ЖК возникнет периодическая система участков с исходной ориентацией и участков, переориентировавшихся под действием приложенного напряжения. Такая периодическая система участков действует как фазовая дифракционная решетка. Лучи белого света 13 проходят конденсор, 2 слоя ЖК и 5 подложек (на чертеже - второй слева участок, обозначенный как RED), попадают на фазовую дифракционную решетку, образовавшуюся в слое ЖК ячейки 3, и образуют систему дифракционных спектров в фокальной плоскости растра-объектива (на внутренней поверхности выходной маски) в соответствии с выражением:

sinϕ_R=±m.λ_R/d_R, (1)

где ϕ_R - угол, под которым распространяется свет с длиной волны λ_R,

m - порядок дифракционного максимума,

λ_R - длина волны света, для выделения которой предназначен данный слой ЖК,

d_R=d₃ - период полосок полосчатого электрода на слое ЖК ячейки 3.

Итак, фазовая дифракционная решетка, возникшая в слое ЖК ячейки 3, разлагает белый свет на дифракционные спектры 0, ±1, ±2 и т.д. порядков, причем длинноволновая часть спектра находится на большем расстоянии от осевой линии O-O. Если расстояние щели от осевой линии S выбрать из соотношения:

S=l_Rtgϕ_R, (2)

то при напряжении, приложенном к слою ЖК ячейки 3, сквозь щели выходной маски пройдет только свет с длиной волны λ_R и реализуется второе оптическое состояние - КРАСНЫЙ цвет (RED).

Если управляющее напряжение приложено к сплошному электроду 6 и полосчатому электроду 8 ячейки 2, то в слое ЖК ячейки 2 возникнет периодическая система участков с исходной ориентацией и участков переориентировавшихся под действием приложенного напряжения с периодом d_G=d₂, где d₂ - период полосчатых электродов ячейки 2.

Лучи белого света проходят конденсор, 3 подложки и один слой ЖК ячейки 1, падают на слой ЖК ячейки 2, на котором теперь сформирована фазовая дифракционная решетка с периодом d_o, и разлагаются в дифракционные спектры на выходной маске (на чертеже участок обозначен как GREEN). Для того чтобы в щели выходной маски, расположенные на расстоянии S от осевой линии O-O, теперь проходил свет с длиной волны λG, необходимо период d_G выбрать из следующих соотношений:

S=l_Gtgϕ_G (3)

sinϕ_G=±mλ_G/d_G, (4)

где S - расстояние от осевой линии до щели выходной маски, рассчитанное в соответствии с выражением (2),

l_G - расстояние слоя ЖК ячейки 2 от выходной маски, задано толщинами используемых подложек,

λ_G - длина волны света, которую необходимо обеспечить в этом состоянии элемента.

Если d_G - период полосчатых электродов ячейки 2 рассчитан в соответствии с выражениями (3) и (4), то при приложении напряжения к сплошному и полосчатому электродам ячейки 2, через те же щели выходной маски будет проходить свет только с длиной волны λ_G (зеленая часть спектра) и будет обеспечено третье оптическое состояние - ЗЕЛЕНЫЙ цвет (GREEN).

Если управляющее напряжение приложено к сплошному электроду 6 и полосчатому электроду 8 ячейки 1, то в слое ЖК ячейки 1 возникнет периодическая система участков с исходной ориентацией и участков, переориентировавшихся под действием приложенного напряжения с периодом d_B=d₁, где d₁ - период полосчатых электродов ячейки 1.

Лучи белого света проходят конденсор, 1 подложку, слой ЖК ячейки 1, на котором теперь сформирована фазовая дифракционная решетка с периодом d_B, и разлагаются в дифракционные спектры на выходной маске (на чертеже участок обозначен как BLUE). Для того чтобы в щели выходной маски, расположенные на расстоянии S от осевой линии O-O, теперь проходил свет с длиной волны λ_B, необходимо период d_B выбрать из следующих соотношений:

S=l_Btgϕ_B (5)

sinϕ_B=±mλ_B/d_B, (6)

где S - расстояние от осевой линии до щели выходной маски, рассчитанное в соответствии с выражением (2),

l_B - расстояние слоя ЖК ячейки 1 от выходной маски, задано толщинами используемых подложек,

λ_B - длина волны света, которую необходимо обеспечить в этом состоянии элемента.

Если d_В - период полосчатых электродов ячейки 1 рассчитан в соответствии с выражениями (5) и (6), то при приложении напряжения к сплошному и полосчатому электродам ячейки 1, через те же щели выходной маски будет проходить свет только с длиной волны λ_В - синяя часть спектра и будет обеспечено четвертое оптическое состояние - СИНИЙ цвет (BLUE).

Таким образом, прикладывая управляющие напряжения последовательно к каждому из трех слоев ЖК, можно получить переключаемый фильтр, например, для систем телевидения с последовательной передачей цветов, где источником белых изображений является внешний дисплей, например ЭЛТ. Если электроды каждой из ЖК ячеек 1, 2, 3 выполнить в виде матрицы (полоски электродов на каждой из подложек), то внешний источник изображений не требуется. Изображения будут формироваться на каждой из ЖК ячеек. Спектральный состав света, проходящего сквозь фильтр, определяется положением щелей выходной маски относительно осевой линии и их шириной и может при изготовлении варьироваться в широких пределах. Так, если необходима чистота цвета, то щели должны быть узкими и периоды полосчатых электродов должны выбираться в соответствии с вышеприведенными соотношениями. Если требуется большая интенсивность окрашенного света, то ее можно получить за счет расширения спектра (использовать более широкие щели).

Другим достоинством предлагаемого элемента является полная независимость цветов и наличие глубокого темного цвета, поскольку в отсутствие напряжения элемент практически непрозрачен, что обеспечивает высокий контраст, хорошую насыщенность цветов.

Еще одним достоинством предлагаемого дисплея является возможность получения частоты повторения кадров такой же, как и у дисплеев с одновременным представлением цветов. Обычно в дисплеях с последовательным формированием цветов время кадра делится на три периода, в каждом из которых отображается информация только одного цвета. В результате, для получения устойчивого немерцающего изображения частота повторения кадров должна быть в три раза выше, чем у дисплеев с одновременным формированием цветов. В предлагаемом устройстве изображения в трех различных цветах можно формировать одновременно. Для этого каждая из трех ЖК ячеек, на которых формируются изображения, условно разделяется на три равных участка (условно 1, 2, 3). На одной из ячеек, предназначенной для формирования, например, красных изображений, первая строка из кадра отображается на верхней части участка 1 первой ячейки. В это же время на участке 2 второй ячейки производится отображение первой строки, например, зеленого изображения. На участке 3 третьей ячейки производится отображение первой строки, синего изображения. Затем по такой же схеме воспроизводятся вторые, третьи и т.д. строки изображений с синхронным сдвигом. За счет пространственного разделения не происходит наложения и искажения цветов. За счет интегрирующей способности глаза наблюдатель видит все три изображения одновременно с частотой повторения кадров, обычной для дисплеев с одновременным формированием цветов.

При правильно выбранных параметрах входной и выходной масок, фокусных расстояний растровых и дифракционных элементов до 70-80% интенсивности каждого цвета может быть выделено для практического использования, тогда как никакая другая система последовательной выборки цветов не способна обеспечить такую эффективность. Поскольку поглощение света в каждой из ячеек практически отсутствует, без ухудшения параметров можно ввести в систему еще одну ЖК ячейку с четвертым периодом дифракционной решетки и получить четвертый первичный цвет. Проблема получения четвертого первичного цвета является актуальной для новых перспективных систем телевидения с повышенной четкостью.

Скорость переключения цветов может быть высокой, поскольку используемые толщины слоев ЖК могут быть 1 мкм и меньше или могут быть использованы сверхбыстродействующие ЖК, например сегнетоэлектрические. Таким образом, преимущества настоящего технического решения несомненны.

Элемент жидкокристаллического дисплея, включающий входную маску со щелями, растровый конденсор, по крайней мере, один слой жидкого кристалла, заключенного между прозрачными подложками с прозрачными электродами, по крайней мере, один из которых выполнен в виде полосок с периодом d₁, растровый объектив, выходную маску со щелями, положение которых согласовано с положением щелей входной маски, отличающийся тем, что в него введены второй и третий слои жидкого кристалла, заключенные между прозрачными подложками с прозрачными электродами, один из двух электродов, прилегающих ко второму и третьему слою ЖК выполнен в виде полосок с периодом d₂ и d₃ соответственно, каждый из трех слоев расположен на расстояниях l₁, l₂, l₃ от выходной маски соответственно, щели выходной маски расположены симметрично относительно щелей входной маски на расстоянии S от осевой линии, проходящей через щель входной маски, периоды полосчатых электродов d₁, d₂ и d₃ выбраны с возможностью формирования дифракционных решеток и пропускания через щели выходной маски одного из трех цветов λ₁, λ₂, λ₃ соответственно из соотношения

S=l₁tg(arcsinλ₁/d₁)=l₂tg(arcsinλ₂/d₂)=l₃tg(arcsinλ₃/d₃).