ЭЛЕМЕНТ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИСПЛЕЯ Российский патент 2003 года по МПК G02F1/133 

Изобретение относится к индикаторной технике, в частности к цветным жидкокристаллическим дисплеям, в которых селекция цветов производится разнесенными по 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, и в каждом из них внедрен краситель 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 выравнивающие и ориентирующие покрытия и прозрачные электроды, а это процессы обычно 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. Кроме того, элемент не может работать в отражательном варианте в режиме с фронтальной подсветкой.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является элемент жидкокристаллического дисплея, содержащий слой жидкого кристалла, заключенного между двумя подложками с прозрачными электродами, один из которых сплошной, а другой выполнен в виде гребенок с взаимно проникающими зубцами [2]. Период зубцов одной гребенки 2d, суммарный период двух гребенок d. Элемент снабжен входной и выходной масками со щелями. Взаимное положение щелей масок согласовано таким образом, что в отсутствие управляющего напряжения свет сквозь маски не проходит. При подаче управляющего напряжения к сплошному общему электроду и одной из гребенок ЖК переориентируется в частях, находящихся под зубцами. Слой ЖК с участками, имеющими исходную ориентацию и переориентированными, представляет собой фазовую дифракционную решетку. Пучки белого света, прошедшие сквозь щели входной маски, дифрагируют на фазовой дифракционной решетке, образуя систему дифракционных спектров в плоскости выходной маски. В тех местах выходной маски, на которые попадают определенные длины волн, например λ, предусмотрены щели, сквозь которые свет этой длины волны проходит. Когда напряжение приложено к общему и двум гребенчатым электродам, в слое ЖК возникает дифракционная решетка с вдвое меньшим периодом и сквозь те же щели будет проходить свет с вдвое большей длиной волны. Таким образом, элемент обеспечивает получение трех оптически различимых состояний: ТЕМНО, ЦВЕТ 1, ЦВЕТ 2, причем длины волн цветов отличаются строго в два раза. Элемент имеет высокие эксплуатационные свойства, как-то: стабильные цвета, независимые от температуры или разбросов толщины, в контакте со слоем нет химически взаимодействующих с ним слоев и потому долговечность его повышена.

Недостатком известного элемента является ограниченный набор цветов (всего два) и потому невозможность создания полноцветного дисплея. Другим существенным недостатком является жесткая связь между длинами волн, а именно: длины волн в дисплее отличаются строго в два раза, что затрудняет возможности получения гаммы смешанных цветов, которая может быть реализована только при наличии трех независимых цветов и достаточной яркости. Еще одним недостатком является невозможность работы в отражательном варианте при фронтальной подсветке.

Обеспечение возможности получения полноцветного изображения и работы в отражательном варианте является целью изобретения.

Поставленная цель достигается тем, что в известный элемент, содержащий слой жидкого кристалла, заключенного между двумя прозрачными подложками с прозрачными электродами, один из которых выполнен в виде гребенки, входную маску со щелями, введены линзовый растр-конденсор в промежуток между входной маской и первой подложкой, поглощающая маска с зеркально отражающими участками, линзовый растр-объектив в промежуток между второй подложкой и поглощающей маской, во входной маске предусмотрены входные и выходные щели, положение которых оптически согласовано с положением зеркально отражающих участков поглощающей маски, площадь элемента условно разделена на три подобласти, в пределах которых период гребенок различен в каждой из подобластей, расположение зеркально отражающих участков поглощающей маски в пределах каждой подобласти одинаково, причем обеспечено отражение одного из трех различных цветов в пределах каждой из подобластей, разного в каждой из подобластей.

Благодаря такой конструкции в слое ЖК можно сформировать три независимые фазовые решетки одинакового периода и с помощью системы входных и выходных щелей во входной маске, поглощающей маски с отражательными участками и системы линзовых растров выделить три независимых один от другого цвета, позволяющих получить полную гамму цветов в дисплее на базе предложенного элемента. Элемент рассчитан на работу в отражательном варианте.

На чертеже изображены конструкция элемента и ход лучей в нем.

Элемент жидкокристаллического дисплея содержит слой жидкого кристалла 1, заключенного между двумя прозрачными подложками 2 и 3, на внутренние стороны которых нанесены прозрачные электроды 4 и 5. Один из прозрачных электродов, например, 5 выполнен в виде гребенки, для чего в нем участками в виде прямоугольных окон удален проводящий слой. Ширина окна а, расстояние между окнами b. Таким образом, период гребенчатой структуры a+b=d и он различен на каждой из трех подобластей R, G, B, на которые условно разделен элемент. Электрод 4 электрически разделен на три подобласти (4R, 4G, 4B) с тем, чтобы можно было осуществлять независимую подачу управляющих напряжений к каждой из трех подобластей элемента. На внешней стороне подложки 2 размещены входная маска 6 с входными щелями 7 и выходными щелями 8 и линзовый растр-конденсор 9.

С наружной стороны подложки 3 размещены линзовый растр-объектив 10 и поглощающая подложка 11 с зеркальными участками 12 и 13, причем зеркальный участок 13 расположен в плоскости поглощающей маски 11, а участок 12 расположен под некоторым углом к плоскости поглощающей маски.

Оптические оси линзовых растров 9 и 10 совпадают. Входные щели 7 входной маски 6 смещены от положения оптических осей линзовых растров, но располагаются в фокальной плоскости линзового растра-конденсора 9.

Лучи белого неполяризованного света 14 (аксиальные и параксиальные) освещают входные 7 и выходные 8 щели входной маски 6. Лучи света, прошедшие входные щели в отсутствие управляющих напряжений, распространяются вдоль смещенной оси O_i-О_i и посредством растровой оптической системы (конденсор-объектив) образуют в плоскости поглощающей маски 11 (участок О_i) изображение входной щели в белом свете. Поскольку в месте расположения этого изображения расположены поглощающие участки маски 11, то весь прошедший через входные щели свет будет поглощен. Таким образом, в отсутствие управляющего напряжения реализуется первое оптическое состояние элемента: ТЕМНО.

Лучи белого света 14, прошедшие сквозь выходные щели 8 (паразитная засветка) в отсутствие управляющих напряжений, распространяются по направлению оси О_о-O_о. (Для того, чтобы не загружать чертеж, лучи паразитной засветки не изображены.) Эти лучи образуют в плоскости поглощающей маски 11 (участок O_о) изображение выходной щели в белом свете. Поскольку в месте расположения этого изображения расположены поглощающие участки маски 11, то весь прошедший через выходные щели свет также будет поглощен и оптическое состояние ТЕМНО не будет нарушено паразитным светом, проникающим сквозь выходные щели 8 входной маски 6.

Если приложить управляющее напряжение к электроду 5 и одной или нескольким подобластям электрода 4R, 4G, 4B, то в слое ЖК в этих подобластях возникнет периодическая система участков с переориентированным ЖК и ЖК с исходной ориентацией. Система участков с разной ориентацией ЖК представляет собой фазовую дифракционную решетку. Периоды дифракционных решеток на каждой из трех подобластей различны и выбраны следующим образом.

Примем за систему основных цветов, соответствующую Международному стандарту CIE:
В - синий 0,440 мкм,
G - зеленый 0,528 мкм=(0,440•1,2) мкм,
R - красный 0,660 мкм=(0,440•1,5) мкм.

Свет, прошедший сквозь фазовую дифракционную решетку, с помощью линзового растра-объектива 10 сформирует в плоскости поглощающей маски 11 систему дифракционных спектров ±m порядков.

Углы относительно нулевого максимума (направление O_i-О_i), под которыми наблюдаются определенные длины волн, определяются выражением
sinϕ = ±mλ/2d,
где ϕ - угол, под которым распространяется свет с длиной волны λ,m - номер дифракционного максимума (принимает целые значения), d - период гребенки.

На участке В период решетки принимаем за d. Тогда на участках G и R период решетки будет соответственно 1,2d и 1,5d.

Под углом ϕ_B в плоскости поглощающей маски 11 будет сфокусирован синий цвет В, под углом ϕ_G будет сфокусирован зеленый цвет G, под углом ϕ_R будет сфокусирован красный цвет R.

Поскольку периоды решеток в каждой из подобластей различны и равны соответственно d, 1,2d и 1,5d, то величины углов ϕ_R,ϕ_G,ϕ_B, будут также различны. Следовательно, в каждой из подобластей на отражающие участки 12, 13 будут приходиться разные строго определенные длины волн, поскольку отражающие участки расположены на одинаковом расстоянии l от оси O_i-O_i. Так, в подобласти В на отражающие участки попадут лучи синего цвета (В), в подобласти G - лучи зеленого цвета (G), в подобласти R - лучи красного цвета (R). Лучи одного цвета, отраженные от плоского 13 и наклонного 12 участков, при помощи линзового растра-объектива 10 собираются в точке К, дополнительно дифрагируют на решетке, попадают в точку L и при помощи линзового растра-конденсора 9 фокусируются на внутренней стороне входной маски 6.

В местах фокусировки отраженных лучей одного цвета расположены выходные щели 8, через которые свет определенной длины волны выходит из элемента.

Таким образом, в элементе реализуются четыре оптических состояния: ЦВЕТ 1 (R красный), ЦВЕТ 2 (G зеленый), ЦВЕТ 3 (B синий) и состояние ТЕМНО, что позволяет получать полноцветную систему отображения информации.

Спектральный состав выходящего из элемента света определяется взаимным положением выходной щели 8 входной маски 6 и отражательных участков 12 и 13 и шириной щели выходной маски.

Эти параметры задаются конструктивно и независимо для каждого из цветов, по потребности могут варьироваться. Так, если требуются более чистые цвета, ширина щелей должна быть минимальной. Тогда интенсивность выходящего света будет тоже минимальной. Если требуется большая интенсивность и допустимы не очень чистые цвета, ширина щелей может быть увеличена. Зависимость спектрального состава пропускаемого света от каких-либо параметров ЖК, например от толщины слоя, температуры или углов наблюдения, отсутствует, поскольку свет, вышедший через выходные щели, представляет собой точечный источник с широкой и равномерной индикатрисой рассеяния. Это свойство элемента является весьма важным эксплуатационным параметром.

В элементе реализуются четыре оптических состояния: ЦВЕТ 1 (R красный), ЦВЕТ 2 (G зеленый), ЦВЕТ 3 (B синий) и состояние ТЕМНО, что позволяет получать полноцветную систему отображения информации. Каждый из цветов может модулироваться независимо один от другого.

Таким образом, введение в состав элемента поглощающей маски с зеркально отражающими элементами, линзового растра-конденсора, линзового растра-объектива, формирование на поле элемента трех независимых дифракционных решеток позволяют получить элемент, работающий на "отражение", с полной гаммой цветов, с повышенной яркостью изображений и более высоким КПД использования света от осветительной системы.

Источники информации
1. Патент РСТ (WO) 85/04962, МКИ 6 G 02 F 1/133, опубл. 19.04.1985.

2. Авторское свидетельство СССР 488177, МКИ 2 G 02 B 5/25, опубл. 10.06.1976.

Элемент жидкокристаллического дисплея содержит слой жидкого кристалла (ЖК), заключенного между двумя прозрачными подложками с прозрачными электродами. Элемент разделен на три подобласти, в пределах которых электрод выполнен в виде гребенок с тремя различными периодами зубцов. При подаче управляющего напряжения к гребенчатым электродам в слое ЖК возникает фазовая дифракционная решетка, на которой проходящий свет разлагается на несколько дифракционных спектров. Система масок со щелями и зеркально отражающими участками и растровых конденсора и объектива позволяет выделить три первичных цвета, причем обеспечена возможность работы элемента в отражательном режиме. Технический результат - повышение яркости изображений и устойчивости к неблагоприятным условиям эксплуатации. 1 ил.

Элемент жидкокристаллического дисплея, содержащий слой жидкого кристалла, заключенного между двумя прозрачными подложками с прозрачными электродами, один из которых выполнен в виде гребенки, входную маску со щелями, отличающийся тем, что в него введены линзовый растр-конденсор в промежуток между входной маской и первой подложкой, поглощающая маска с зеркально отражающими участками, линзовый растр-объектив в промежуток между второй подложкой и поглощающей маской, во входной маске предусмотрены входные и выходные щели, положение которых оптически согласовано с положением зеркально отражающих участков поглощающей маски, площадь элемента условно разделена на три подобласти, в пределах которых периоды гребенок различны, расположение зеркально отражающих участков поглощающей маски в пределах каждой подобласти одинаково, причем обеспечено отражение одного из трех различных цветов в пределах каждой из подобластей, разного в каждой из подобластей.