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, 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.

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. 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.

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 известный элемент, содержащий слой ЖК, заключенного между двумя прозрачными подложками и прозрачными электродами, один из которых выполнен в виде гребенки, введен линзовый растр-конденсор в промежуток между входной маской и первой подложкой, линзовый растр-объектив в промежуток между второй подложкой и выходной маской, рабочее поле элемента разделено на три подобласти, в пределах которых период гребенок d одинаков, взаимное расположение щелей выходной маски относительно щелей входной маски в пределах каждой подобласти различно, причем обеспечено прохождение одного из трех различных цветов в пределах каждой из подобластей, разного в каждой из подобластей.

По варианту 2 (п.2) предложен вариант элемента, отличающийся тем, что период гребенок в пределах каждой из подобластей различен, например d, 1,2d и 1,5d в каждой из областей соответственно, взаимное расположение щелей выходной маски в пределах каждой подобласти одинаково, причем обеспечено прохождение 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 (по п.1) или трех различных (по п.2) периодов и с помощью системы входных и выходных щелей и растров выделить три независимых один от другого цвета, позволяющих получить полную гамму цветов в дисплее на базе предложенного элемента.

В варианте по п.2 периоды решеток выбраны равными d, 1,2d и 1,5d в каждой из подобластей соответственно, что позволяет получить три независимых первичных цвета, соответствующих принятым в дисплейной технике стандартам.

Наличие линзовых растров позволяет увеличить КПД использования света и повысить яркость изображений в дисплее за счет обеспечения возможности использования параксиальных лучей от источника света.

Сущность настоящего изобретения поясняется на чертежах, где изображены:
на фиг.1a - конструкция элемента и ход лучей в нем,
на фиг.1б - чертеж гребенчатого электрода по п.1,
на фиг.1в - ход лучей через выходную маску по п.2,
на фиг.1г - чертеж гребенчатого электрода по п.2.

Элемент жидкокристаллического дисплея фиг.1а 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 4, выполнен в виде гребенки, для чего в нем участками в виде прямоугольных окон 6 удален проводящий слой (фиг.1б). Ширина окна а, расстояние между окнами b. Таким образом, период гребенчатой структуры a + b = d.

По первому варианту период гребенчатой структуры одинаков на всех трех подобластях R, G, B (фиг.1б). По второму варианту периоды гребенчатых структур на каждой из трех подобластей различны, например, d - в подобласти В; 1,2d в подобласти G и 1,5d в подобласти R (фиг.1г).

На внешней стороне подложки 2 размещены линзовый растр-конденсор 6 и входная маска 7 со щелями. На внешней стороне подложки 3 размещены линзовый растр-объектив 8 и выходная маска 9.

Лучи белого неполяризованного света 10 (аксиальные и параксиальные) освещают входную маску 7 и узкие пучки света проходят сквозь щели входной маски. Щели входной маски расположены в фокусах линзового растра-конденсора 6, поэтому на выходе конденсора 6 формируется практически параллельный пучок света, равномерно освещающий площадь подобласти с гребенчатым электродом.

Линзовый растр-объектив 8 формирует изображение источника света (щели входной маски 7) в своей фокальной плоскости, т.е. на выходной маске 9.

В исходном состоянии в осевом направлении (0-0) на выходной маске будет сформировано яркое белое изображение щели. Поскольку в этих местах выходной маски 9 находятся непрозрачные участки, то все прошедшее излучение будет поглощено и, таким образом, будет реализовано первое из оптических состояний элемента: ТЕМНО.

Электрод 5 разделен на 3 участка 5R, 5G и 5В (фиг.1б) с тем, чтобы обеспечить возможность приложения управляющего напряжения к каждой из подобластей элемента в отдельности.

Если приложить управляющее напряжение к электроду 4 и одной или нескольким подобластям электрода 5R, 5G, 5B, 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. Период этой системы составляет d для всех трех подобластей (по первому варианту) или разный для каждой из подобластей (по второму варианту).

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 8 сформирует в плоскости выходной маски 9 систему дифракционных спектров ± m порядков.

Углы относительно нулевого максимума (осевое 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), d - период гребенки.

Под углом ϕ_B в плоскости выходной маски 9 будет сфокусирован синий цвет В, под углом ϕ_G будет сфокусирован зеленый цвет G, под углом ϕ_R будет сфокусирован зеленый цвет R.

В местах фокусировки каждого из цветов в выходной маске 9 предусмотрены прозрачные участки - щели, которые пропускают свет только заданной длины волны.

По варианту 1 настоящего изобретения щели в выходной маске имеют различное угловое положение относительно осевой линии в каждой из трех подобластей, но имеют одинаковый период дифракционной решетки. Это позволяет обеспечить возможность пропускания света на каждой из подобластей только одного цвета.

По варианту 2 настоящего изобретения щели в выходной маске имеют одинаковое угловое положение относительно осевой линии в каждой из трех подобластей, но имеют разный период дифракционной решетки. И в этом варианте обеспечена возможность пропускания света на каждой из подобластей только одного цвета, за счет смещения углового положения спектра. Это смещение в направлении к осевой линии обеспечивается увеличением ("огрублением") периода дифракционной решетки в 1,2 или 1,5 раза (на фиг.1в указано стрелками с одним и двумя штрихами соответственно).

Выбор любого из вариантов предоставляет изготовителям большую свободу выбора в соответствии со своими технологическими возможностями.

Спектральный состав пропускаемого щелью света определяется положением щели выходной маски относительно осевой линии, на которой находится и щель входной маски, и шириной щели выходной маски.

Эти параметры задаются конструктивно и независимо для каждого из цветов и по потребности могут варьироваться. Так, если требуются более чистые цвета, ширина щелей должна быть минимальной. Тогда интенсивность проходящего света будет тоже минимальной. Если требуется большая интенсивность и допустимы не очень чистые цвета, ширина щелей может быть увеличена до размера вплоть до 1/3 ширины всего спектра. Зависимость спектрального состава пропускаемого света от каких либо параметров ЖК, например от толщины слоя, температуры или углов наблюдения, отсутствует и это является весьма важным эксплуатационным параметром.

Таким образом, в элементе реализуются четыре оптических состояния: ЦВЕТ 1 (R красный), ЦВЕТ 2 (G зеленый), ЦВЕТ 3 (G 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 линзового растра-конденсора, линзового растра-объектива, формирование на поле элемента трех независимых дифракционных решеток позволяет получить элемент с полной гаммой цветов с повышенной яркостью изображений и более высоким КПД использования света от осветительной системы.

Источники информации:
1. Патент PCT (WO) 85/04962, МКИ₆ G 02 F 1/133, опубл. 19.04.85.

2. Авт. свид. СССР 488177, МКИ₂ G 02 B 5/25, опубл. 10.06.76.

Изобретение относится к измерительной технике. Элемент жидкокристаллического дисплея содержит слой жидкого кристалла, заключенного между двумя прозрачными подложками с прозрачными электродами, один из которых выполнен в виде гребенки, входную и выходную маски со щелями, взаимное положение которых согласовано. В элемент введены линзовый растр-конденсор в промежуток между входной маской и первой подложкой и линзовый растр-объектив в промежуток между второй подложкой и выходной маской, при этом щели входной маски расположены в фокусах линзового растра-конденсора, площадь элемента условно разделена на три подобласти, в пределах каждой из которых период гребенки одинаков, и обеспечена возможность приложения управляющего напряжения к каждой из подобластей элемента в отдельности. Технический результат - повышение яркости. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Элемент жидкокристаллического дисплея, содержащий слой жидкого кристалла, заключенного между двумя прозрачными подложками с прозрачными электродами, один из которых выполнен в виде гребенки, входную и выходную маски со щелями, взаимное положение которых согласовано, отличающийся тем, что в него введены линзовый растр-конденсор в промежуток между входной маской и первой подложкой, линзовый растр-объектив в промежуток между второй подложкой и выходной маской, при этом щели входной маски расположены в фокусах линзового растра-конденсора, площадь элемента условно разделена на три подобласти, в пределах каждой из которых период гребенки одинаков, и обеспечена возможность расположения управляющего напряжения к каждой из подобластей элемента в отдельности, а взаимное расположение щелей выходной маски в пределах каждой из подобластей различно, при этом обеспечено прохождение одного из трех различных цветов в пределах каждой из подобластей, разного в каждой из подобластей. 2. Элемент жидкокристаллического дисплея, содержащий слой жидкого кристалла, заключенного между двумя прозрачными подложками с прозрачными электродами, один из которых выполнен в виде гребенки, входную и выходную маски со щелями, взаимное положение которых согласовано, отличающийся тем, что в него введены линзовый растр-конденсор в промежуток между входной маской и первой подложкой и линзовый растр-объектив в промежуток между второй подложкой и выходной маской, при этом входной маски расположены в фокусах линзового растра-конденсора, площадь элемента условно разделена на три подобласти, в пределах каждой из которых период гребенки различен, и обеспечена возможность приложения управляющего напряжения к каждой из подобластей элемента в отдельности, а взаимное расположение щелей выходной маски в пределах каждой из подобластей одинаково, при этом обеспечено прохождение одного из трех различных цветов в пределах каждой из подобластей, разного в каждой из подобластей. 3. Элемент жидкокристаллического дисплея по п.2, отличающийся тем, что период гребенки составляет d, 1,2d и 1,5d в каждой из подобластей соответственно, где d - период гребенчатой структуры.