ЭЛЕМЕНТ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИСПЛЕЯ Российский патент 2003 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к индикаторной технике, в частности к цветным жидкокристаллическим дисплеям, в которых селекция цветов в пределах каждого элемента (пикселя) производится разнесенными по его плоскости светофильтрами с тремя первичными цветами (триадами), а модуляция каждого из цветов производится посредством жидкого кристалла (ЖК).

Известен элемент ЖК дисплея, содержащий слой ЖК, размещенного между двумя подложками с прозрачными электродами и ориентирующими покрытиями на внутренних сторонах и триаду светофильтров, пропускающих свет одной из трех первичных длин волн: R - красный, G - зеленый, В - синий /1/. Светофильтры триады выполнены из полимера с внедренным красителем одного из первичных цветов. Напротив каждого из светофильтров расположен участок ЖК, который с помощью поляроидов при приложении напряжения регулирует количество света, проходящего сквозь каждый из светофильтров, благодаря чему и создается цветное изображение.

Недостатками известного дисплея являются малая светосила (большая доля света поглощается светофильтром) и высокая стоимость, обусловленная технологическими трудностями при изготовлении: на обычно легкоплавкий полимер нужно наносить прозрачные электроды и ориентирующие покрытия, а это обычно процессы высокотемпературные. Долговечность элемента ограничена, т.к. ЖК может химически реагировать с полимером светофильтра и/или с красителем. Это может привести к его деградации и потере работоспособности.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является элемент ЖК дисплея, аналогичный по конструкции, но для селекции цветов используются полоски фотополимера, способного при освещении УФ-излучением изменять величину двулучепреломления. В каждой из полосок триады светофильтров наведена разная величина двулучепреломления такая, что при соответствующем расположении поляроидов, каждая из полосок пропускает свет с длиной волны одного из первичных цветов /2/.

Достоинством такого исполнения триады светофильтров в известном элементе дисплея является более высокая светосила, т.к. нет красителей, поглощающих свет. Остальные недостатки те же, что и у предыдущего технического решения, т. е. технологические трудности при изготовлении и, следовательно, высокая стоимость и возможность деградации ЖК за счет химического взаимодействия ЖК и полимерного светофильтра.

Техническим результатом изобретения является повышение светосилы и упрощение технологии изготовления, приводящее к снижению стоимости и увеличению долговечности.

Указанный технический результат достигается созданием элемента жидкокристаллического дисплея, содержащего слой ЖК, заключенный между двумя подложками с электродами на внутренних сторонах и элементы, образующие триаду светофильтров, пропускающие свет трех первичных длин волн.

Каждый из светофильтров триады представляет собой линзу Френеля, которая формируется из участков слоя ЖК с исходной (без приложения управляющего напряжения) и нарушенной (после приложения напряжения) ориентацией. Нарушение исходной ориентации происходит за счет наличия на одном из электродов системы электрически изолированных полосок, ширины которых подчиняются определенному закону, и приложения к ним напряжения.

Фокусные расстояния линз Френеля зависят от длины волны света. В предлагаемом решении фокусные расстояния каждой из линз заданы одинаковыми, но для разных первичных длин волн в каждом из светофильтров триады. Элемент снабжен выходной маской со щелями и положение щелей согласовано с фокусами линз таким образом, что сфокусированный свет одной первичной длины волны проходит сквозь щель выходной маски, а две другие длины волны поглощаются маской.

Таким образом, сформированные в ЖК посредством полосок электродов и управляющего напряжения линзы Френеля производят селекцию цветов без применения красителей или полимеров, поглощающих свет, благодаря чему светосила элемента существенно увеличивается.

Одновременно с селекцией производится и модуляция интенсивности света, проходящего сквозь щели. Это происходит за счет того, что в отсутствие напряжения линзы Френеля отсутствуют и сквозь щели выходной маски проходит небольшая часть света (паразитная фоновая засветка), соответствующая площади щели. Эта неуправляемая часть света принимается за нулевой, исходный уровень. После подачи напряжения и формирования линзы в слое ЖК через эту же щель начинает проходить свет с одной из первичных длин волн с максимальной интенсивностью, т. е. происходит модуляция света. Поскольку модуляция осуществляется без использования поляроидов, которые в лучшем случае поглощали бы как минимум 50% света (одну поляризацию), то светосила элемента увеличится на эти 50%.

В варианте по п.2 в элементе установлена контрастирующая маска с непрозрачными участками, поглощающая долю света, проходящую сквозь щели выходной маски в отсутствие сформированной линзы Френеля, и повышающая контраст.

Поскольку в элементе отсутствуют полимерные светофильтры, то нет проблем химического их взаимодействия с ЖК, следовательно долговечность элемента больше.

Сущность настоящего решения поясняется на чертежах, где на фиг.1 приведена конструкция одного элемента дисплея (пикселя), а на фиг.2 приведен ход лучей в одной из линз (светофильтре триады).

Элемент жидкокристаллического дисплея состоит из слоя ЖК 1 с любым поляризационным электрооптическим эффектом. ЖК заключен между двумя подложками 2 и 3 с прозрачными электродами сплошным 4 и разделенным на три участка (триады) с группами полосок 5. Элемент снабжен выходной маской 6 со щелями 7, расположенной на расстоянии f от слоя ЖК. Это расстояние может быть задано, например толщиной подложки 3.

В варианте по п.2 в элемент введена контрастирующая маска 8 с непрозрачными участками 9, расположенными напротив щелей выходной маски.

В исходном состоянии (управляющие напряжения не включены) свет внешнего источника 10 проходит сквозь подложки и слой ЖК и основная его часть поглощается выходной маской 6. Небольшая его доля проходит сквозь щели выходной маски и поступает на выход, создавая паразитную фоновую подсветку или (по п. 2) поглощается непрозрачными участками 9 контрастирующей маски 8, повышая контраст изображения.

Известно, что система концентрических прозрачных и непрозрачных колец действует на проходящий сквозь нее свет как положительная линза (линза Френеля) при условии, что радиусы их выбраны из следующего отношения:
R_k = (2kλf)^1/2,
здесь f - фокусное расстояние линзы, k - номер радиуса кольца, R - радиус кольца, λ - длина волны света.

Как видно из выражения, фокусное расстояние разное для разных длин волн, т.е. имеется набор фокусов при фиксированном наборе колец.

Если используется система прозрачных и непрозрачных полосок, расстояния между которыми подчиняются этому соотношению, то она действует как цилиндрическая линза. Группы полосок на каждом из трех участков электрода 5 сформированы с использованием приведенного выше отношения.

Если в линзе Френеля чередуются прозрачные и непрозрачные полосы, то такая линза называется амплитудной, и она может собрать в фокусе незначительное количество световой энергии. Если же чередуются полосы с разным показателем преломления, причем так, что набег разности фаз между соседними полосками равен π, то такая фазовая линза может собрать в фокусе до 80% световой энергии одной длины волны.

Принцип селекции цветов поясняется на фиг.2, где приведен ход лучей в круглой амплитудной линзе Френеля. При заданном наборе радиусов колец белый свет после прохождения линзы начнет фокусироваться, причем световая энергия каждой длины волны собирается в отдельном фокусе. Если в точке фокуса, например, для зеленой длины волны разместить узкую щель, то сквозь выходную маску пройдет только зеленый цвет, тогда как остальные поглотятся непрозрачной маской.

Аналогично можно выделить любой другой цвет. Спектральная ширина цвета и интенсивность на выходе маски определяется шириной щели. Более узкая щель дает более чистые цвета, но с меньшей интенсивностью.

Для получения трех первичных цветов (триады светофильтров) необходимо иметь три линзы Френеля, причем каждая из них должна иметь собственный набор фокусов для трех первичных цветов. Должно быть соблюдено условие: фокусное расстояние одной линзы для синего цвета должно равняться фокусному расстоянию другой линзы для красного цвета и равняться фокусному расстоянию третьей линзы для зеленого цвета (на фиг.1 это расстояние обозначено f). На одном из трех участков электрода 5 группы полосок сформированы так, чтобы фокусное расстояние возникшей при подаче напряжения линзы для зеленого цвета равнялось f, на втором - для красного, на третьем - для синего.

При подаче управляющего напряжения к одной из групп полосок электрода 5 в слое ЖК возникает система чередующихся полосок с ЖК с исходной ориентацией и ЖК с нарушенной ориентацией. Эта система действует как фазовая линза Френеля, концентрируя световую энергию разных длин волн в разных фокусах.

Поскольку напротив фокусов линз в выходной маске 6 предусмотрены щели 7, то на выходе маски будет наблюдаться свет одной из первичных длин волн, или двух или трех, если напряжение приложено к двум или трем группам полосок. Интенсивность каждой из первичной длин волн зависит от величины управляющего напряжения, т. к. эффективность фазовой линзы меняется по мере изменения показателя преломления переориентирующегося ЖК от 0 до максимально достижимой (при набеге разности фаз, равной π).

Таким образом, одновременно с селекцией по цвету происходит и модуляция интенсивности, причем это осуществляется без применения поляроидов.

Известно, что один поляроид поглощает как минимум 50% проходящего света, так что настоящий элемент имеет как минимум на 50% большую светосилу. В качестве рабочей среды может использоваться любой ЖК с поляризационным электрооптическим эффектом, способным обеспечить набег разности между соседними элементами линзы, равный Пи. Это могут быть ориентационные эффекты в исходно планарной, гомеотропной, твистовой или супертвистовой ориентациях, или ориентационные эффекты в сегнетоэлектрических ЖК.

Контраст изображений, которые могут быть созданы при использовании настоящего элемента, определяется отношением интенсивности света, проходящего сквозь щели выходной маски 6 при наличии сформированной линзы (при включенном напряжении), к интенсивности света в отсутствие управляющего напряжения (фоновая засветка). При узких щелях контраст достаточен для практического использования.

В ряде применений требуется повышенный контраст. Для этих случаев по п.2 предусмотрена дополнительная контрастирующая маска 8 с непрозрачными участками 9, расположенными напротив щелей выходной маски 6. Непрозрачные участки контрастирующей маски поглощают лучи света, проходящего перпендикулярно маскам (прямые лучи фоновой подсветки) и пропускают только косые лучи, образованные линзой. В результате контраст изображений существенно повышается, но счет некоторого снижения яркости.

Таким образом, из приведенного выше видно, что элемент ЖК дисплея обеспечивает указанные технические результаты, т. к. обладает повышенной светосилой, стоимость его изготовления ниже, а долговечность больше.

Источники информации
1. Патент РСТ(WO) 85/04962, МКИ₆ G 02 F 1/133, опублик. 19.04.85 г.

2. Патент Швейцарии RAN 4701/139-00, МКИ₆ G 02 F 1/133, опублик. 14.02.95 г.

Элемент жидкокристаллического дисплея содержит слой жидкого кристалла (ЖК) между двумя подложками с прозрачными электродами и триаду светофильтров, производящую селекцию цвета на три первичные длины волн: R, G, B. Селекция цветов производится посредством трех фазовых линз Френеля. Линзы Френеля формируются при приложении напряжения к слою ЖК ("активные линзы"). Каждая из линз фокусирует свет одной длины волны в щели выходной маски. Модуляция интенсивности каждой из длин волн производится изменением величины приложенного напряжения без применения поляроидов. Технический результат - повышение светосилы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Элемент жидкокристаллического дисплея, содержащий слой жидкого кристалла (ЖК), заключенный между двумя подложками с прозрачными электродами, и элементы, образующие триаду светофильтров с первичными длинами волн, отличающийся тем, что введена выходная маска со щелями, элементы, образующие триаду светофильтров, выполнены в виде линз Френеля, сформированных из ЖК с разной ориентацией, и групп полосок, на которые разделен один из электродов, фокусы сформированных линз Френеля выбраны одинаковыми, но для трех разных длин волн, положение фокусов совмещено со щелями выходной маски. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что в нем введена контрастирующая маска с непрозрачными участками, расположенными напротив щелей выходной маски.