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, B-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 прозрачные электроды и ориентирующие покрытия, 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.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему 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 состояния: 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. Кроме того, элемент имеет существенные потери света, поскольку из всей падающей на элемент интенсивности используется только та часть, которая приходится на щели входной маски.

Возможность реализации полноцветного дисплея осуществляется только при наличии трех независимых цветов и достаточной яркости. Обеспечение такой возможности и является целью настоящего изобретения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном элементе, содержащем слой ЖК, заключенного между двумя прозрачными подложками и прозрачными электродами, один из которых выполнен в виде гребенок с взаимно проникающими зубцами с периодом зубцов 2d, где d - суммарный период двух гребенок, входную и выходную маски со щелями, взаимное расположение которых согласовано, второй электрод выполнен в виде полосок, расположенных с периодом 3/2 d и с возможностью использования этого электрода, как формирующего дифракционную решетку с периодом 3/2 d.

Благодаря такой конструкции в слое ЖК можно сформировать фазовые решетки трех различных периодов: 2d, 3/2 d и d, пропускать сквозь щели выходной маски цвет трех длин волн и обеспечить 4 оптически различимых состояния: ТЕМНО, ЦВЕТ 1 (λ), ЦВЕТ 2 (3/2 λ) и ЦВЕТ 3 (2λ).

Кроме того, для дополнительного увеличения яркости в элементе предусмотрена система цилиндрических линз, каждая из которых концентрирует свет из некоторого телесного угла и собирает его на соответствующей щели входной маски.

Сущность настоящего изобретения поясняется на чертежах, где на фиг.1 изображена конструкция элемента, а на фиг.2 - форма электродов на одной из подложек.

Элемент жидкокристаллического дисплея фиг.1 (для удобства изложения изображены три элемента) содержит слой жидкого кристалла 1, заключенного между двумя прозрачными подложками 2 и 3, на внутренние стороны которых нанесены прозрачные электроды 4 и 5. Прозрачный электрод 4 выполнен в виде двух гребенок с взаимно проникающими зубцами. Период зубцов каждой из гребенок равен 2d, а суммарный период двух гребенок равен d. Прозрачный электрод 5 выполнен в виде полосок, период которых составляет величину 3/2 d.

На внешней стороне подложки 2 размещена входная маска 6 со щелями, а на внешней стороне подложки 3 размещена выходная маска 7 со щелями. Взаимное положение щелей масок согласовано способом, описанным ниже.

Белый неполяризованный свет освещает входную маску 6 и узкие пучки света проходят сквозь щели к слою ЖК. Каждая из линз собирает свет из некоторого телесного угла и фокусирует его в одну из щелей входной маски 6.

В исходном состоянии узкие пучки белого света, прошедшие сквозь щели входной маски, проходят без изменений сквозь слой ЖК (направление 0-0) и поглощаются выходной маской 7. Реализуется первое из оптических состояний: ТЕМНО.

Если приложить управляющее напряжение к одной из гребенок электрода 4 и ко всем полоскам электрода 5 (в этом случае электрод 5 используется как общий), то в слое ЖК возникнет периодическая система участков с переориентированным ЖК и ЖК с исходной ориентацией. Период этой системы составляет 2d и для проходящего света она представляет собой фазовую дифракционную решетку.

Узкий пучок белого света, прошедший сквозь фазовую дифракционную решетку, образует в плоскости выходной маски 7 систему дифракционных спектров ± m порядков. Углы относительно нулевого максимума - (направление 0-0), 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), 2d - период зубцов одной гребенки. Под углом ϕ_B будет распространяться свет с длиной волны λ (примем условно 0,35 мкм - СИНИЙ). Свет вдвое большей длины волны 2λ (0,7 мкм - КРАСНЫЙ) будет распространяться под вдвое большим углом ϕ_R, а свет с длиной волны 3/2 λ (0,502 мкм - ЗЕЛЕНЫЙ) будет распространяться под углом ϕ_G.

Под углом ϕ_R в выходной маске 7 (средний элемент) расположена щель, через которую свет с длиной волны 2λ проходит на выход элемента. Таким образом, при подаче управляющего напряжения к одной из гребенок электрода 4 и ко всем полоскам электрода 5 будет реализовано второе оптическое состояние: ЦВЕТ 1 (КРАСНЫЙ).

Если напряжение прикладывается одновременно к двум гребенкам электрода 4 и ко всем полоскам электрода 5 (крайний левый элемент), то в слое ЖК формируется дифракционная структура с вдвое меньшим периодом (d). В эти же щели будет проходить свет вдвое меньшей длины волны (λ) и будет реализовываться третье оптическое состояние: ЦВЕТ 2 (СИНИЙ).

Когда напряжение приложено к обеим гребенкам электрода 4 (гребенки используются как общий электрод) и к половине полосок (через одну) электрода 5, возникает дифракционная решетка с периодом 3/2 d (крайний правый элемент). Сквозь щели выходной маски 7 будет проходить свет с длиной волны 3/2 λ. Таким образом реализуется четвертое оптическое состояние: ЦВЕТ 3 (ЗЕЛЕНЫЙ).

Интенсивность проходящего сквозь выходную маску 7 света зависит от интенсивности света, прошедшего сквозь щели входной маски 6.

По п. 1 для увеличения интенсивности света перед входной маской 6 предусмотрена система цилиндрических линз 8, толщиной, равной их фокусному расстоянию. Каждая из линз собирает свет из определенного телесного угла и концетрирует его на щели входной маски, тем самым увеличивая интенсивность света на выходе элемента.

Спектральная ширина света (чистота цвета), проходящая сквозь элемент, в обоих случаях (с линзами и без линз) определяется шириной щелей в выходной маске и по потребности может варьироваться в небольших пределах. Так, если требуются более чистые цвета, ширина щелей должна быть минимальной. Тогда интенсивность проходящего света будет тоже минимальной. Если требуются большая интенсивность и допустимы не очень чистые цвета, ширина щелей может быть увеличена до размера не более 1/3 ширины всего спектра (от 0,35 до 0,7 мкм).

Таким образом, исполнение второго из электродов в виде полосок с периодом 3/2 d и использование этого электрода либо как общего, либо как формирующего дифракционную решетку с периодом 3/2 d, позволяет решить одну из поставленных задач - обеспечить получение третьего цвета в элементе.

Введение по п.1 в состав элемента цилиндрических линз решает вторую задачу - увеличение яркости дисплеев, построенных на основе предлагаемого элемента.

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

2. Авт. свид. СССР 488177, МКИ 2 G 02 B 5/25, опубл. 10.06.1976 г.

Изобретение относится к оптике. Элемент жидкокристаллического дисплея содержит слой жидкого кристалла (ЖК) между двумя подложками с прозрачными электродами. Один из электродов выполнен в виде двух гребенок с взаимно проникающими зубцами. Период каждой из гребенок 2d, общий период обеих гребенок равен d. Второй электрод выполнен в виде полосок с периодом 3/2 d. На входе элемента установлена входная маска со щелями, на выходе - выходная. Положение щелей в масках взаимно согласовано. При подаче управляющих напряжений к одной гребенке, к двум гребенкам или к половине полосок второго электрода формируются фазовые дифракционные решетки трех периодов. Белый свет, проходящий через эти решетки, дифрагирует и в зависимости от периода через щели выходной маски проходит один из трех цветов. Технический результат - получение третьего цвета в элементе. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Элемент жидкокристаллического дисплея, содержащий слой жидкого кристалла, заключенного между двумя прозрачными подложками с прозрачными электродами, один из которых выполнен в виде гребенок с взаимно проникающими зубцами с периодом зубцов каждой из гребенок 2d, где d - суммарный период двух гребенок, входную и выходную маски со щелями, взаимное расположение щелей которых согласовано, отличающийся тем, что второй электрод выполнен в виде полосок с периодом 3/2 d и с возможностью использования этого электрода как формирующего дифракционную решетку с периодом 3/2 d. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что перед входной маской установлена система цилиндрических линз толщиной, равной фокусному расстоянию линз.