ПАССИВНО-МАТРИЧНЫЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭКРАН И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМ ЭКРАНОМ Российский патент 2003 года по МПК G02F1/1337 G09G3/36 

Изобретение относится к индикаторной технике и может быть использовано в плоских экранах телевизоров, компьютеров, игровых приставок, факсимильных аппаратов, мобильных телефонов и т.д.

Известен активно-матричный экран [1], содержащий жидкокристаллический (ЖК) слой, расположенный между двумя прозрачными диэлектрическими пластинами, на внешних поверхностях которых находятся поляроидные пленки, на внутренней поверхности одной из диэлектрических пластин выполнена тонкопленочная интегральная схема (включающая в себя MхN тонкопленочных полевых транзисторов) и две группы входных прозрачных электродов, первая из которых образует N строк, а вторая группа - М столбцов матрицы, при этом вход каждого тонкопленочного полевого транзистора подключен к электродам соответствующей строки и столбца, а его выход - к соответствующему элементу выходного прозрачного электрода, состоящего из MхN элементов и контактирующего через полимерный слой с ЖК слоем, при этом полимерные слои обеспечивают исходную ориентацию прилегающих к ним ЖК молекул и их спиралевидную закрученность в объеме ЖК слоя.

Цветной вариант такого экрана содержит утроенное число столбцов, под электродами которых расположены светофильтры трех основных цветов.

Управление активно-матричным экраном осуществляется путем матричной адресации входов (затворов) тонкопленочных транзисторов, поэтому пороговая характеристика активно-матричного экрана определяется порогом включения тонкопленочного транзистора. При превышении (на входе выбранного тонкопленочного транзистора) порогового уровня напряжения происходит быстрый заряд конденсатора (являющегося составной частью тонкопленочной интегральной схемы), подсоединенного на выходе рассматриваемого тонкопленочного транзистора параллельно электродам той области ЖК слоя, которая соответствует включаемому элементу экрана. Заряд на конденсаторе обеспечивает эффект памяти для данного элемента экрана, обеспечивая поддерживающее напряжение на соответствующей области ЖК слоя в течение времени Т_F развертки кадра. Напротив, при напряжении на входе выбранного тонкопленочного транзистора ниже порогового уровня цепь заряда конденсатора будет оставаться разомкнутой, и соответствующая область ЖК слоя в течение всего времени Т_F развертки кадра будет находиться под нулевым напряжением, т.е. рассматриваемый элемент экрана в этом случае будет выключен.

Высокие пороговые характеристики активно-матричного экрана в сочетании с наличием в нем электронной памяти обеспечивают реализацию больших перепадов управляющего напряжения на коммутируемых областях ЖК слоя, и, как следствие, в таких экранах реализуется высокий (до 500:1) контраст и хорошее быстродействие (суммарное время реакции и релаксации элемента экрана до 25 мс).

Основным недостатком активно-матричного экрана является его сложность (высокая стоимость), обусловленная технологической сложностью изготовления бездефектной тонкопленочной электронной схемы, особенно в случае большой апертуры экрана. По этой причине в основном выпускаются активно-матричные экраны с диагональю не более 15 дюймов и разрешением не более 1024х768 цветных триад (не превосходящим XGA формат).

Известен пассивно-матричный ЖК экран на сверхзакрученных нематиках (super twist nematics) или кратко - STN экран [2], содержащий ЖК слой, состоящий из нематических ЖК молекул с положительной диэлектрической анизотропией и расположенный между двумя прозрачными диэлектрическими пластинами, на внешних поверхностях которых находятся соответственно первая и вторая поляроидные пленки, а на внутренних поверхностях - соответственно первая и вторая группы прозрачных электродов с нанесенными на них первым и вторым полимерными слоями, причем первая группа прозрачных электродов образует N строк матрицы, а вторая группа - М столбцов, при этом первый и второй полимерные слои обеспечивают исходную ориентацию прилегающих к ним ЖК молекул соответственно под углами α₁ и α₂ к поверхностям соответствующих пластин, и в ЖК слое присутствует вращательная добавка, задающая исходную спиральную закрутку молекул в объеме слоя на угол β₀ пределах 180-270^o. Под ориентацией нематических ЖК молекул понимается ориентация их длинных осей.

Технологически такой экран значительно проще активно-матричного из-за отсутствия сложной тонкопленочной электронной схемы.

Управление данным экраном осуществляют в соответствии с известным способом [2], заключающимся в том, что развертку кадра осуществляют в N последовательных тактов, подавая в каждом такте на электроды М столбцов и N строк экрана управляющие сигналы и действуя их результирующим электромагнитным полем на те области ЖК слоя, состоящего из нематических жидкокристаллических молекул с положительной диэлектрической анизотропией, которые соответствуют MхN элементам экрана, при этом в i-ом такте, где i=1, 2, ... N, выбирают заданные элементы только i-ой строки, изменяя физические свойства соответствующих областей ЖК слоя путем превышения на этих областях определенного значения амплитуды результирующего электромагнитного поля, при этом в течение всего времени Т_F развертки кадра создается поддерживающее напряжение на каждом элементе i-ой строки.

Прямая матричная адресация ЖК слоя в пассивно-матричном (STN) экране ведет к проблемам с реализацией высоких контрастных и временных характеристик. Для получения высокого контраста необходимо создать большой перепад напряжения между включенным и невключенным состояниями каждого элемента экрана, причем при характерном для данного экрана отсутствии памяти в адресуемых элементах указанный перепад напряжения должен поддерживаться в течение всего времени Т_F развертки кадра, что при прямой матричной адресации областей ЖК слоя приводит к невозможности использовать весь динамический диапазон его вольт-контрастной характеристики (ВКХ) для информационной модуляции (в отличие от активно-матричного экрана), поскольку в пассивно-матричном экране существенную часть динамического диапазона ВКХ занимают поддерживающие перепады напряжения. Работа на весьма ограниченном участке ВКХ с недостаточной крутизной (для реально существующих ЖК материалов) ведет к невозможности реализации максимального контраста и быстродействия для элементов пассивно-матричного экрана; последний по данным параметрам уступает активно-матричному экрану приблизительно на порядок величины. Кроме того, в пассивно-матричных экранах реально действующее на ЖК слой значение управляющего напряжения всегда уменьшается из-за наличия сопротивления электродных полос и межэлектродных емкостей экрана, что в известном экране из-за отсутствия запаса в динамическом диапазоне управляющего напряжения дополнительно ограничивает предельный уровень мультиплексирования (предельное количество элементов, участвующих в формировании каждого кадра изображения) и предельный размер диагонали экрана. Даже специальные корректирующие алгоритмы управления не могут устранить указанные проблемы, поэтому пассивно-матричные экраны уступают активно-матричным не только по параметрам контраста и быстродействия, но и по информативности (в 1,5-2 раза).

Техническим результатом, достигаемым при помощи настоящего изобретения в пассивно-матричном ЖК экране, является улучшение его контрастных, временных характеристик, увеличение информативности, улучшение угла обзора изображения.

Указанный технический результат достигается тем, что в пассивно-матричном ЖК экране, содержащем ЖК слой, состоящий из нематических ЖК молекул с положительной диэлектрической анизотропией, первую и вторую прозрачные диэлектрические пластины, на внешних поверхностях которых находятся соответственно первая и вторая поляроидные пленки, а на внутренних поверхностях - соответственно первая и вторая группа прозрачных электродов, которые образуют соответственно N строк и М столбцов матрицы, на которые нанесены первый и второй полимерные слои, задающие ориентацию прилегающих к ним молекул соответственно в первом и втором направлениях с углами наклона α₁ и α₂ к поверхностям соответствующих диэлектрических пластин, причем в ЖК слое присутствует вращательная добавка, задающая исходную спиральную ориентацию молекул на угол β₀ в объеме ЖК слоя, оптические оси первой и второй поляроидных пленок совпадают с биссектрисами смежных углов между проекциями векторов ориентации молекул, прилегающих к первой и второй диэлектрическим пластинам, на плоскости этих пластин, ЖК слой выполнен с возможностью существования динамической самокомпенсирующейся конфигурации, структура которая характеризуется постепенным изменением угла наклона молекул по толщине ЖК слоя от величины α₁ до величины α₂ с переходом через величину α_c = 90^° для молекул в центральной части ЖК слоя, причем знак угла поворота молекул при переходе от угла α₁ к углу α_c = 90^° противоположен знаку угла поворота молекул при переходе от угла α_c = 90^° к углу α₂, а пороговая характеристика экрана определена энергетическим барьером между исходным состоянием ЖК слоя и его состоянием с наличием самокомпенсирующейся конфигурации.

Достижение указанного технического результата связано в первую очередь с присутствием в ЖК слое динамической самокомпенсирующейся конфигурации, возникающей только после процедуры подачи-снятия управляющего напряжения высокого уровня, величина которого достаточна для преодоления энергетического барьера формирования указанной конфигурации. Получение высокого контраста и увеличение угла обзора обусловлено взаимной оптической компенсацией (самокомпенсацией) двух симметричных (относительно центральной части ЖК слоя) частей конфигурации вследствие взаимной противоположности знаков угла α поворота молекул. При этом возможность получить достаточно длительное (не менее времени Т_F развертки кадра) время τ_memory существования самокомпенсирующейся конфигурации позволяет реализовать оптическую память, являющуюся физическим аналогом электронной памяти активно-матричного экрана. Высокие пороговые характеристики предложенного устройства (достигаемые физическими свойствами энергетического барьера, который надо преодолеть для формирования самокомпенсирующейся конфигурации) ведут к возможности увеличения максимально возможного числа адресуемых элементов экрана (увеличению его информативности), поскольку снимаются прежние (характерные для известного экрана) существенные ограничения на длину электродов матрицы, поскольку в предложенном устройстве имеет место запас по уровню управляющего напряжения, и поэтому здесь не столь значительно влияние сопротивления и емкости матрицы электродов на снижение реально действующего (на ЖК слой) значения управляющего напряжения.

Быстродействие экрана улучшается за счет как уменьшения времени включения элементов экрана (за счет использования больших перепадов напряжения управляющего напряжения), так и за счет уменьшения времени релаксации элементов (до величины времени существования динамической самокомпенсирующиеся конфигурации, выбираемого не превосходящим Т_F развертки кадра).

В первом частном варианте выполнения устройства оптические оси первой и второй поляроидных пленок взаимно ортогональны, при этом оптическая ось по крайней мере одной из поляроидной пленок параллельна проекции на ее поверхность вектора ориентации молекул, находящихся у ближайшей к данной поляроидной пленке поверхности ЖК слоя, углы наклона молекул отвечают условию α₁ = α₂, угол закрутки β₀ равен 180^o, а произведение величины Δn оптической анизотропии на толщину d ЖК слоя находится в пределах 0,4 мкм≤Δnd≤0,7 мкм.

В таком частном варианте устройства максимальный контраст формируемого изображения может приближаться в пределе к величине контраста самих поляроидных пленок при некотором уменьшении коэффициента пропускания (оптической эффективности) экрана в исходном состоянии по сравнению с общим случаем.

Во втором частном варианте в устройство дополнительно введен пленочный компенсатор между по крайней мере одной из диэлектрических пластин и прилегающей к ней поляроидной пленкой, что позволяет увеличить угол обзора изображения.

В третьем частном варианте устройства прозрачный электрод каждого столбца матрицы разделен на три продольных сегмента, в экран дополнительно введены светофильтры, каждый из которых расположен между поверхностью одной из диэлектрических пластин и соответствующим сегментом прозрачного электрода, при этом каждому столбцу экрана соответствует триада светофильтров трех основных цветов. Такой вариант экрана позволяет получить полноцветное изображение.

Техническим результатом, достигаемым с помощью предложенного способа, является улучшение контрастных и динамических характеристик формируемого изображения.

Указанный технический результат достигается тем, что развертку кадра осуществляют в N последовательных тактов, подавая в каждом такте на электроды М столбцов и N строк экрана управляющие сигналы, действуя их результирующим электромагнитным полем на те области ЖК слоя, состоящего из нематических ЖК молекул с положительной диэлектрической анизотропией, которые соответствуют MхN элементам экрана, при этом в i-ом такте, где i=1, 2, ... N, выбирают элементы только i-ой строки, выделяя период записи длительностью t_W, в течение которого действуют электромагнитным полем записывающих сигналов с амплитудой U₁>U₀(t_W) на те области ЖК слоя, которые соответствуют включаемым элементам i-ой строки, где U₀(t_W) является пороговым напряжением формирования самокомпенсирующейся конфигурации ЖК слоя, в том же такте в течение того же периода записи длительностью t_W на соответствующие невключаемым элементам i-ой строки области ЖК слоя либо не подают электромагнитное поле управляющих сигналов, либо действуют на эти области электромагнитным полем записывающих сигналов с амплитудой U₂<U₀(t_W), оставляя тем самым указанные области ЖК слоя в исходном состоянии либо переводя их в слабовозбужденное состояние, а в остальные 1, ... i-1, i+1, ... N такты развертки данного кадра в течение всех соответствующих периодов записи на области ЖК слоя, соответствующие i-ой строке, действуют электромагнитным полем записывающих сигналов амплитудой U₂<U₀(t_W) либо снимают электромагнитное поле с указанных областей.

При этом время Т_F развертки кадра выбрано не превосходящим времени τ_memory существования самокомпенсирующейся конфигурации.

Улучшение контрастных и динамических характеристик формируемого изображения связано с тем, что при сохранении простоты прямого матричного управления областями ЖК слоя (характерного для пассивно-матричных экранов) в последнем возбуждают самокомпенсирующуюся конфигурацию, что ведет не только к появлению оптической памяти у элементов экрана, но и к появлению крутой динамической ВКХ экрана за счет инерционности отклика ЖК молекул на быстрое повышение уровня возбуждающего электромагнитного поля (в течение длительности t_W периодов записи). Чем короче импульс управляющего напряжения, тем выше порог образования самокомпенсирующейся конфигурации. Существенно, что при этом используется тот же ЖК материал, который характеризуется невысокой крутизной ВКХ при обычном матричном управлении (характерном для известного пассивно-матричного экрана).

В первом частном варианте способа в течение i-го периода записи длительностью t_W на электрод i-той строки подают записывающий сигнал в виде напряжения величиной U_S, на электроды столбцов включаемых элементов i-той строки подают записывающие сигналы в виде напряжения величиной U_D, а на электроды остальных столбцов и строк подают нулевое напряжение, при этом длительность t_W i-го периода записи выбирается в соответствии с условиями T_W>T_D+S, T_W<T_D, T_W<T_S, где T_D+S, T_D и T_S - время формирования динамической самокомпенсирующейся конфигурации ЖК слоя под действием напряжения соответственно величинами U_s+U_D, U_D и U_S, а в остальное время i-того такта на все электроды экрана подают нулевое напряжение, причем длительность остального времени такта выбирается достаточной для возвращения невключаемых элементов 1, 2, ... i-той строк и всех элементов (i+1), (i+2), ... N - ной строк экрана из промежуточного состояния в исходное состояние.

Во втором частном варианте способа i-тый период записи разбивают на два смежных временных интервала t_WS и t_WD, в течение интервала t_WS подают напряжение величиной U_S только на электроды i-той строки, а на электроды остальных строк и всех столбцов подают нулевое напряжение, а в течение интервала t_WD подают напряжение U_D только на электроды тех столбцов, которые соответствуют включаемым элементам i-той строки, а на электроды всех остальных строк и столбцов подают нулевое напряжение, при этом величины временных интервалов выбирают в соответствии с условиями t_WS+t_WD>T_S, t_WS+t_WD>Т_D, t_WS<T_S, t_WD<T_D, где Т_D и T_S - времена формирования динамической самокомпенсирующейся конфигурации ЖК слоя под действием напряжения соответственно величинами U_D и U_S, а в остальное время i-того такта на все электроды экрана подают нулевое напряжение, причем длительность остального времени такта выбирается достаточной для возвращения невключаемых элементов 1, 2 , . . . i-той строк и всех элементов (i+1), (i+2), ... N-ной строк экрана из слабовозбужденного состояния в исходное состояние.

Второй частный вариант способа позволяет использовать предельно короткие импульсы управляющего напряжения при максимальных значениях амплитуды последнего, что ведет к реализации предельно малого времени адресации каждой строки, и, как следствие, к достижению максимальной величины мультиплексирования N (к возможности управления экраном с максимальным количеством N строк).

Во третьем частном варианте способа i-й такт разбивают на следующие друг за другом i-й такт стирания и i-й такт записи, в течение первого из которых на i-тую строку подают стирающий сигнал амплитудой U_E, частота f которого больше критической частоты f₀ смены знака диэлектрической анизотропии нематического жидкого кристалла, а величина амплитуды U_E0 стирающего сигнала в течение длительности Δt_E0 периода стирания обеспечивает полное устранение самокомпенсирующейся конфигурации во всех областях ЖК слоя, соответствующих i-той строке.

При этом скорость воспроизведения информации экраном остается равной скорости смены, кадров даже в случае, если τ_memory, соответствующая условиям естественной релаксации самокомпенсирующейся конфигурации, выбрано больше времени Т_f развертки кадра.

В четвертом частном варианте способа i-й такт разбивают на следующие друг за другом такты записи и стирания, и в течение последнего подают на i-тую строку стирающий сигнал с частотой f, которая выше критической частоты f₀ смены знака диэлектрической анизотропии жидкого кристалла, при этом варьируют амплитудой U_E стирающего сигнала и длительностью Δt_E периода стирания, управляя тем самым скоростью и степенью устранения самокомпенсирующейся конфигурации в соответствующих областях ЖК слоя.

Указанный частный вариант способа позволяет формировать многоградационное (полутоновое) изображение за счет частичного устранения самосогласованной конфигурации ЖК слоя при варьировании параметрами стирающего сигнала, следующего по времени непосредственно за записывающим сигналом.

В пятом частном варианте способа стирающий сигнал в виде знакопеременного меандра с варьируемой амплитудой U_E и частотой f>f₀ формируют только на выключаемых элементах i-той строки, для чего подают на электрод последней сигнал в виде знакопеременного меандра с частотой f₁, равной f/3<f₀, а на электроды столбцов, соответствующих выключаемым элементам i-той строки, подают сигнал в виде последовательности групп знакопеременных импульсов амплитудой U_E, при этом период T₁ последовательности равен 1/f₁, длительность каждого импульса равна T₁/3k, где k - число импульсов в группе, а знак каждого текущего импульса совпадает со знаком текущей амплитуды меандра. В данном частном варианте способа обеспечивается избирательное формирование стирающего сигнала только на выключаемых элементах за счет получения высокой частоты f (более высокой, чем f₀) для стирающего сигнала путем сложения сигналов с частотами, меньшими f₀.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на фигурах которого представлено следующее.

Фиг.1 - поперечное сечение пассивно-матричного ЖК экрана.

Фиг.2 - кривые изменения коэффициента К оптического пропускания элемента ЖК экрана при подаче управляющего напряжения.

Фиг. 3 - схема изменения состояния ЖК слоя при наложении и снятии электрического поля (управляющего напряжения).

Фиг. 4 - формирование стирающего сигнала с комбинационной несущей частотой.

Пассивно-матричный ЖК экран, имеющий MхN элементов, содержит (фиг.1) ЖК слой 1, состоящий из нематических ЖК молекул с положительной диэлектрической анизотропией, две диэлектрические пластины 2, 3, на внешних поверхностях которых расположены поляроидные пленки 4, 5, на внутренней поверхности диэлектрической пластины 2 расположена одна группа параллельных между собой прозрачных электродов (показано продольное сечение i-го электрода 6_i, направленного вдоль плоскости чертежа, где i=1, 2, ... N), на внутренней поверхности диэлектрической пластины 3 расположена другая группа параллельных между собой прозрачных электродов (показано поперечное сечение j-го электрода 7_j, направленного ортогонально плоскости чертежа, где j=1, 2, ... М), на прозрачных электродах нанесены полимерные слои 8 и 9, которые обеспечивают исходную ориентацию молекул ЖК слоя 1. Направление (вектор) ориентации нематических ЖК молекул определяется направлением их длинных осей. Приповерхностные молекулы (расположенные непосредственно у обоих поверхностей ЖК слоя 1) наклонены соответственно под углами α₁ и α₂ к внутренним поверхностям соответствующих диэлектрических пластин 2 и 3. В ЖК слое 1 присутствует вращательная добавка, задающая исходную спиральную закрутку молекул на угол β₀ в объеме ЖК слоя. Оптические оси O-O' первой 4 и O₁-O₁' второй 5 поляроидных пленок (фиг.1, снизу) совпадают с биссектрисами смежных углов между проекциями P₁ и Р₂ векторов ориентации молекул, прилегающих к первой 2 и второй 3 диэлектрическим пластинам, на плоскости этих пластин. ЖК слой 1 выполнен с возможностью существования в нем динамической самокомпенсирующейся конфигурации, которая характеризуется постепенным изменением угла наклона молекул по толщине ЖК слоя от величины α₁ до величины α₂ с переходом через величину α_c = 90^° для молекул в центральной части ЖК слоя, причем знак угла поворота молекул при переходе от угла α₁ к углу α_c = 90^° противоположен знаку угла поворота молекул при переходе от угла α_c = 90^° к углу α₂. Пороговая характеристика экрана определена энергетическим барьером между исходным состоянием ЖК слоя 1 и его состоянием с наличием самокомпенсирующейся конфигурации. Время формирования последней не превосходит времени развертки одной строки экрана, а время существования - не превосходит времени Т_F кадровой развертки экрана.

Указанное взаимное расположение осей поляроидных пленок 4 и 5 и векторов ориентации приповерхностных молекул соответствует минимизации воздействия самокомпенсирующихся конфигураций на оптические характеристики проходящего через ЖК слой 1 поляризованного света. Отклонение от такого расположения ведет к падению контраста вследствие роста эллиптичности света, проходящего через ЖК слой.

Возможность существования динамической самокомпенсирующейся конфигурации в ЖК слое 1 задается выбором соответствующего состава ЖК слоя 1, заданием характера связи его приповерхностных молекул с полимерными слоями 8, 9.

В первом частном варианте устройства оптические оси первой 4 и второй 5 поляроидных пленок взаимно ортогональны, при этом оптическая ось по крайней мере одной из поляроидных пленок параллельна проекции на ее поверхность вектора ориентации молекул, находящихся у ближайшей к данной поляроидной пленке поверхности жидкокристаллического слоя, углы наклона молекул отвечают условию α₁ = -α₂ угол закрутки β₀ равен 180^o, а произведение величины Δn оптической анизотропии на толщину d ЖК слоя находится в пределах 0,4 мкм≤Δnd≤0,7 мкм. В таком варианте влияние неоднородностей начальной ориентации молекул (для исходного состояния ЖК слоя) на качество однородности фона изображения сведено к минимуму вследствие минимального воздействия соответствующих отклонений в величине Δn оптической анизотропии на оптические свойства проходящего поляризованного света.

Во втором частном варианте устройства дополнительно введен пленочный компенсатор между по крайней мере одной из диэлектрических пластин (например, 2) и прилегающей к ней поляроидной пленкой 4, что позволяет получить расширенный угол обзора изображения за счет взаимной компенсации оптической анизотропии ЖК слоя и пленочного компенсатора.

В третьем частном варианте экрана прозрачный электрод каждого столбца разделен на три продольных сегмента, в экран дополнительно введены светофильтры, каждый из которых расположен между поверхностью одной из диэлектрических пластин и соответствующим сегментом прозрачного электрода, при этом каждому столбцу экрана соответствует триада светофильтров трех основных цветов. Данный частный вариант экрана предназначен для получения цветного изображения.

Устройство работает следующим образом.

Сначала рассмотрим работу одного элемента экрана (находящегося на пересечении i-ой строки j-го столбца). В отсутствие электрического (электромагнитного) поля при исходном состоянии ЖК слоя оптическое пропускание элемента экрана является функцией интерференции двух элементарных световых волн со взаимно ортогональными направлениями поляризации (на которые можно разложить произвольную входную световую поляризованную волну), между которыми возникает фазовая задержка после прохождения ими ЖК слоя (вдоль оси спирально закрученной конфигурации молекул). При подаче напряжения (на i-ую строку и j-ый столбец) выше некоторого порогового значения U₁ молекулы переориентируются вдоль силовых линий возникающего в ЖК слое электрического поля, т. е. стремятся к ортогональной (относительно поверхностей диэлектрических пластин 2, 3) ориентации, которая характеризуюется углом поворота молекул α_c = 90^°, при этом эффективная величина фазовой задержки, создаваемой ЖК слоем, падает (стремится к нулю с ростом напряжения). После снятия напряжения молекулы стремятся возвратиться в исходное состояние. При этом вращающий момент, действующий на молекулы, расположенные между первой диэлектрической пластиной 2 и центральной частью ЖК слоя 1, противоположен вращающему моменту, действующему на молекулы между центральной частью ЖК слоя 1 и второй диэлектрической пластиной 3. Поскольку на молекулы центрального части ЖК слоя 1 при этом действуют силы, равные по абсолютной величине, но противоположные по знаку, то и после прекращения действия поля молекулы остаются в состоянии с α_c = 90^° в течение некоторого времени τ_memory (связанным с временем естественной релаксации τ_relax). В течение времени τ_memory существует самокомпенсирующаяся конфигурация, характеризующаяся постепенным изменением угла наклона молекул по толщине слоя от величины α₁ у первой пластины до величины α₂ у второй пластины с переходом через величину α_c = 90^° (перпендикулярно диэлектрическим пластинам) для молекул в центральной части ЖК слоя (по крайней мере для одного слоя молекул в указанной центральной части), причем знак угла поворота молекул при переходе от угла α₁ к углу α_c = 90^° противоположен знаку угла поворота молекул при переходе от угла α_c = 90^° к углу α₂.

Динамической самокомпенсирующейся конфигурации свойственна релаксация в виде непрерывного процесса возврата краевых симметрично расположенных (относительно центральной части ЖК слоя) молекул в исходное состояние. Характерным свойством такой релаксации является практическое отсутствие изменения действия ЖК слоя на проходящий поляризованный свет в течение всего процесса релаксации, что обусловлено взаимной компенсацией (самокомпенсацией) оптической активности разного знака, вытекающей из разного знака поворота молекул относительно центральной части ЖК слоя.

Нахождение ЖК слоя в динамической самокомпенсирующейся конфигурации в течение времени τ_memory в отсутствие внешнего напряжения эквивалентно наличию энергетически независимой оптической памяти у каждого элемента экрана (время τ_memory выбирается не превосходящим времени кадра Т_F для получения максимального быстродействия экрана).

Время образования самокомпенсирующейся конфигурации выбирается не более времени развертки одной строки экрана. Величина времени возникновения самокомпенсирующейся конфигурации зависит от величины управляющего напряжения; чем больше значение последнего, тем короче требуемое время приложения напряжения, что связано с уменьшением инерционности отклика молекул. Инерционность отклика молекул на возрастание приложенного электрического напряжения поля описывается временем задержки τ_delay, входящей в состав времени реакции τ_react [3]

где η - вязкость жидкого кристалла,
ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума,
Δε - анизотропия диэлектрической проницаемости жидкого кристалла,
U_n - пороговое напряжение,
d - толщина ЖК слоя.

Физически наличие указанной инерционности обусловлено необходимостью преодоления момента сил трения между неподвижными и поворачивающимися слоями молекул в объеме слоя жидкого кристалла. Из (1) следует, что теоретически для любой заданной длительности τ воздействия внешнего электрического поля на ЖК слой всегда существует такое напряжение U_on, при котором молекулы переориентируются вдоль силовых линий электрического поля по крайней мере в центральной части ЖК слоя (молекулы последнего, контактирующие с ориентирующим полимерным покрытием электродов, не изменяют своего положения при любых напряжениях), а также существует такое напряжение U_off, при котором все молекулы ЖК слоя остаются неподвижными. Чем больше разница в напряжениях U_on и U_off, тем меньшая длительность τ действия электрического поля необходима и достаточна для разделения элементов экрана на включенные и выключенные. Такой физический механизм ведет к высокой крутизне вольт-контрастной характеристики

для данного экрана, при этом ρ для последнего превышает 1 (как и для активно-матричного экрана), в то время как в известных пассивно-матричных экранах, как правило, ρ<<1).

Рассмотрим динамику переключения элемента экрана в различные состояния (фиг.2 и фиг.3).

При подаче на элемент напряжения величиной U₁ (кривая 1 на фиг.2), превышающей пороговое значение U₀ для времени записи величиной τ_write(U₁), состояние ЖК слоя изменяется от исходной закрученной структуры А (фиг.3) к вертикально-ориентированной структуре В. Время реакции молекул τ_react(U₁) состоит из времени задержки τ_delay(U₁) и временного интервала формирования вертикально-ориентированной структуры. В течение последнего интервала, соответствующего переднему фронту кривой 7, происходит резкое изменение пропускания К элемента экрана от исходного значения до значения, соответствующего вертикально-ориентированной структуре. После снятия напряжения ЖК слой переходит в самокомпенсирующуюся конфигурацию (в состояние С на фиг.3), и продолжает находиться в ней в течение времени τ_memory(U₁). Если в течение τ_memory(U₁) никакой поддерживающий внешний электрический сигнал не поступит, то ЖК слой переходит из состояния С сначала в состояние С* (в котором самокомпенсирующая конфигурация прекращает свое существование), а затем возвращается в исходное состояние А. Процесс перехода из состояния С* в состояние А сопровождается резким изменением оптического пропускания элемента (которое описывается задним фронтом кривой 1 на фиг.2).

В итоге полное время релаксации τ_relax самокомпенсирующейся конфигурации (соответствующее полному переходу ЖК слоя из состояния С в исходное состояние А) складывается из времени существования τ_memory самокомпенсирующейся конфигурации (состояние С) и времени быстрого изменения пропускания (переход
между состояниями С* и А). Существенно, что суммарное время τ_relax не зависит величины приложенного напряжения U₁, хотя каждое из двух указанных слагаемых этого времени зависят от U₁. Кривая 2 на фиг.2 описывает изменение оптического отклика элемента экрана при приложении управляющего напряжения U₂, вдвое меньшего напряжения U₁.

Видно, что соответствующее пониженному напряжению U₂ время задержки τ_delay(U₂) гораздо больше, чем τ_delay(U₁). Поэтому, если подать пониженное напряжение U₂ в течение более короткого времени (например, не превосходящего τ_react(U₁)), молекулы не успеют среагировать, и элемент экрана не включается (кривая 3 на фиг.2). Однако элемент может переходить при этом в слабовозбужденное состояние А* (фиг.3), которое по оптическому пропусканию К практически не отличается от исходного состояния А.

Для того чтобы при последующих тактах записи не происходило ложного возбуждения данного элемента из-за накопления повторяющихся слабых воздействий, необходимо, чтобы каждый такт содержал также временной интервал затухания, достаточный для естественной релаксации слабовозбужденного состояния. Во время интервала затухания на элемент экрана не должно подаваться напряжение, а длительность τ_decay интервала затухания должна быть достаточна для возвращения молекул на невключенном элементе из промежуточного состояния А* в исходное состояние А, т.е. τ_decay должно быть не менее времени затухания слабовозбужденного состояния А*. Величину τ_decay можно оценить, исходя из следующего. Поскольку не происходит структурная перестройка ЖК слоя при его переходе из исходного состояния А в слабовозбужденное состояние А* (момент сил трения в ЖК слое превышает импульс внешних сил), то длительности интервала затухания, равной минимальной длительности записи, хватит для возврата молекул из слабовозбужденного состояния А* в исходное состояние А. При очень слабых или коротких воздействиях на элементы экрана интервал затухания может быть выбран меньше времени записи τ_write. Иначе говоря, время такта τ_cycle (время цикла повторения воздействий на данный элемент) должно включать в себя следующие друг за другом период записи τ_write и период затухания, соответствующий τ_decay, при этом, как правило, τ_write>τ_decay.

Очевидно, что чем больше прикладываемое к элементу напряжение U, тем большее число слоев молекул при состоянии В ЖК слоя (фиг.3) перестраивается перпендикулярно диэлектрическим пластинам и, следовательно, тем дольше будет присутствовать самокомпенсирующаяся конфигурация, время τ_memory существования которой задает длительность паузы в изменении оптического пропускания элемента экрана после снятия напряжения. Поскольку число слоев молекул жидкого кристалла ограничено, то существует и предельная величина τ_memory.

Поскольку по истечение интервала τ_memory начинается переход элемента в исходное состояние, то для постоянного пребывания элемента во включенном состоянии подача управляющих сигналов должна повторяться с периодом Т_F не более величины τ_react+τ_memory.

Способ управления данным экраном заключается в том, что развертку кадра осуществляют в N последовательных тактов, подавая в каждом такте на электроды М столбцов и N строк экрана управляющие сигналы, действуя их результирующим электромагнитным полем на те области ЖК слоя, состоящего из нематических ЖК молекул с положительной диэлектрической анизотропией, которые соответствуют MхN элементам экрана, при этом в i-ом такте, где i=1, 2, ... N, включают заданные элементы только i-ой строки, изменяя физические свойства соответствующих этим элементам областей ЖК слоя путем превышения в этих областях определенного значения амплитуды результирующего электромагнитного поля, отличающийся тем, что в начале каждого i-го такта развертки кадра выделяют период записи длительностью t_W, в течение которого действуют электромагнитным полем записывающих сигналов с амплитудой U₁>U₀(f_W) на те области ЖК слоя, которые соответствуют включаемым элементам i-ой строки, где U₀(t_W) - пороговое напряжение формирования динамической самокомпенсирующейся конфигурации ЖК слоя для длительности времени t_W, в том же такте в течение того же периода записи длительностью t_W на соответствующие невключаемым элементам i-ой строки области ЖК слоя либо не подают электромагнитное поле управляющих сигналов, либо действуют на эти области электромагнитным полем записывающих сигналов с амплитудой U₂<U₀(t_W), оставляя тем самым указанные области ЖК слоя в исходном состоянии либо переводя их в слабовозбужденное состояние, а в остальные 1,..,i-1, i+1, ... N такты развертки данного кадра в течение всех соответствующих периодов записи на области ЖК слоя, соответствующие i-ой строке, действуют электромагнитным полем записывающих сигналов амплитудой U₂<U₀(t_W) либо снимают электромагнитное поле с указанных областей.

При этом время Т_F развертки кадра не превосходит времени τ_memory существования самокомпенсирующейся конфигурации.

В первом частном варианте способа в течение i-го периода записи длительностью t_W на электрод i-той строки подают записывающий сигнал в виде напряжения величиной U_S, на электроды столбцов включаемых элементов i-той строки подают записывающие сигналы в виде напряжения величиной U_D, а на электроды остальных столбцов и строк подают нулевое напряжение, при этом длительность t_W i-го периода записи выбирается в соответствии с условиями t_W>T_D+S, t_W<T_D, t_W<T_S, где T_D+S, Т_D и T_S - времена формирования самокомпенсирующейся конфигурации ЖК слоя под действием напряжения соответственно величинами U_S+U_D, U_D и U_S, а в остальное время i-того такта на все электроды экрана подают нулевое напряжение, причем длительность остального времени такта выбирается достаточной для возвращения невключаемых элементов 1, 2, ... i-той строк и всех элементов (i+1), (i+2), ... N - ной строк экрана из промежуточного состояния в исходное состояние.

Селекция включенных элементов экрана осуществляется не только путем превышения суммарной амплитуды U_S+U_D над амплитудами U_D или U_S по отдельности, но и за счет более быстрой реакции оптического отклика ЖК молекул на суммарное напряжение U_S+U_D (по сравнению с U_S или U_D). Для этого длительность t_W i-го периода записи выбирается больше времени T_D+S, но меньше каждого из времен T_D и T_S.

Если разбить полное время кадра Т_F (выбранное с учетом T_F≤τ_react+τ_memory) на такты длительностью Т_F/N, в каждом из которых как возбуждающее напряжение амплитудой U_S+U_D, так и недостаточные для включения элементов построчное U_S и столбцовое U_D напряжения подаются, например, в течение полутакта (τ_cycle/2), а в остальное время напряжение на электродах равно 0, то обеспечивается мультиплексное управление со скважностью N (т.е. возможность управления экраном, состоящим из N строк). Для увеличения скважности достаточно увеличить амплитуды U_S и U_D, сократив тем самым - пропорционально (U_S+U_D)² - длительность такта T/N. Максимально возможная величина U_S+U_D ограничивается только напряжением пробоя элемента экрана; последний параметр определяется диэлектрическими свойствами не только слоя жидкого кристалла, но также ориентирующего и изоляционного слоев. С учетом этого предельное напряжение U_S+U_D весьма велико, а следовательно, существенно снижаются ограничения на уровень мультиплексирования (число строк) N данного экрана.

Еще одной важной особенностью данного способа управления является независимость мгновенной величины оптического пропускания только что возникшей динамической самокомпенсирующейся конфигурации от величины напряжения U_S+U_D: в состоянии С (фиг.3) взаимная компенсация обоих симметричных частей ЖК слоя осуществляется как при наличии только одного вертикально ориентированного (c α_c = 90^°) слоя молекул, так и при наличии множества таких слоев вертикально ориентированных молекул при узкой области перехода от α₁ к α_c и от α_c к α₂. Это позволяет увеличивать величину приложенного напряжения для компенсации падения напряжений на электродах при незначительном изменении электрических и оптических параметров экрана.

Зависимость длительности τ_memory от величины приложенного напряжения позволяет осуществлять полутоновую модуляцию. Если амплитуда U_D(m) и длительность τ сигнала, прикладываемого к m-ному столбцу записываемой i-той строки, достаточны для переориентации максимально возможного числа слоев молекул в области ЖК слоя, соответствующей im-ому элементу, то величина времени τ_memory максимальна. По мере уменьшения напряжения U_S+U_D(m) уменьшается число возникших слоев молекул с углом наклона α_c = 90^°, а следовательно, уменьшается и время τ_memory существования самокомпенсирующейся конфигурации. При дальнейшем уменьшении указанного напряжения процесс с резким изменением оптического пропускания начинается сразу после прекращения подачи напряжения, причем величина оптического пропускания и время релаксации будут пропорциональны величине (U_S+U_D(m)-U₀)². Аналогичным образом на сокращение времени τ_memory влияет сокращение времени τ подачи напряжения U_D(m) в пределах 0<τ≤t_W.

Приравнивание времени нахождения ЖК структуры в самокомпенсирующейся конфигурации ко времени кадра Т_F позволяет получить короткое время релаксации экрана в исходное состояние, которое в этом случае равно времени резкого изменения оптического пропускания одного элемента экрана. Эффективное быстродействие ЖК материала при таком режиме работы существенно выше по сравнению с его быстродействием, характерным для режима работы в известных пассивно-матричных экранах. Поскольку память берет на себя основную нагрузку по реализации матричной адресации, а требования к крутизне ВКХ ЖК материала существенно снижаются, то в предложенном устройстве может быть использовано большее разнообразие ЖК материалов. При фиксированном внешнем напряжении константы упругости ЖК материала и диэлектрическая анизотропия Δε на величину τ_memory существенного влияния не оказывают. По этому свойству предложенное устройство существенно отличается от известных пассивно-матричных дисплеев, в которых для повышения крутизны ВКХ константа К₃₃ должна быть наибольшей относительно константы поперечного изгиба К₁₁.

На величину времени τ_memory существования самокомпенсирующейся конфигурации заметно влияет шаг Р спиральной закрутки молекул, задаваемой вращательной добавкой в ЖК слое. Как и во всех пассивно-матричных экранах, во избежание образования дефектов ЖК структур шаг Р спиральной закрутки должен удовлетворять соотношению
β₀/360-0,25<d/P<β₀/360+0,25 (2)
В пределах данного соотношения рост величины d/Р ведет к падению величины времени естественной релаксации τ_relax в 1,5-2 раза, а времени τ_memory - в 2-3 раза. Таким образом, время τ_memory будет наибольшим при максимально допустимых величинах шага Р спиральной закрутки.

Во втором частном варианте способа i-тый период записи разбивают на два смежных временных интервала t_WS и t_WD, в течение интервала t_WS подают напряжение величиной U_S только на электрод i-той строки, а на электроды остальных строк и всех столбцов подают нулевое напряжение, а в течение интервала t_WD подают напряжение U_D только на электроды тех столбцов, которые соответствуют включаемым элементам i-той строки, а на электроды всех остальных строк и столбцов подают нулевое напряжение, при этом величины временных интервалов выбирают в соответствии с условиями t_WS+t_WD>T_D, t_WS+t_WD>T_S, t_WS<T_S, t_WD<T_D, где Т_D и T_S - времена формирования самокомпенсирующейся конфигурации ЖК слоя под действием напряжения соответственно величинами U_D и U_S, а в остальное время i-того такта на все электроды экрана подают нулевое напряжение, причем длительность остального времени такта выбирается достаточной для возвращения невключаемых элементов предыдущих (1, 2, ... i-той) строк и всех элементов последующих (i+1, i+2, ... N) строк экрана из слабовозбужденного состояния в исходное состояние.

Особенностью второго частного варианта способа является то, что селекция включаемых элементов экрана осуществляется за счет суммирования между собой длительностей t_WS и t_WD интервалов воздействия управляющего сигнала, подаваемого сначала на электрод строки, а затем на электрод столбца (на пересечении которых находится адресуемый элемент). Это позволяет использовать максимально возможные амплитуды управляющего напряжения (за счет минимизации длительности воздействия последнего) и укоротить длительность такта, поскольку здесь период затухания слабовозбужденного- состояния выключеных элементов выбранной строки перекрывается с периодом селекции включаемых элементов той же строки. Это ведет к реализации предельно малого времени адресации каждой строки (следовательно, к возможности управления максимальным числом N строк при заданной длительности t_memory существования самокомпенсирующейся конфигурации).

Во третьем частном варианте способа i-й такт разбивают на следующие друг за другом i-й такт стирания и i-й такт записи, в течение первого из которых на i-тую строку подают стирающий сигнал амплитудой U_E, частота f которого больше критической частоты f₀ смены знака диэлектрической анизотропии нематического жидкого кристалла, а величина амплитуды U_E0 стирающего сигнала в течение длительности Δt_E0 периода стирания обеспечивает полное устранение самокомпенсирующейся конфигурации во всех областях ЖК слоя, соответствующих i-той строке.

Указанный частный вариант способа позволяет принудительно уменьшить время резкого изменения оптического пропускания экрана τ′ = τ_relax-τ_memory до значений, сопоставимых с временем реакции элемента экрана на резкое повышение напряжения. С этой целью используется свойство ЖК веществ с положительной диэлектрической анизотропией (Δε>0) изменять ее знак на противоположный (Δε<0) при подаче высокочастотного напряжения, частота f которого выше некоторой критической частоты f₀ (характерной для данного ЖК вещества). ЖК молекулы с Δε<0 при подаче напряжения стремятся ориентироваться ортогонально силовым линиям поля (параллельно диэлектрическим пластинам), следовательно, вертикально или наклонно ориентированные молекулы самокомпенсирующейся конфигурации С (фиг. 3) принудительно перестроятся под действием внешнего напряжения в исходное, параллельное (или почти параллельное, т.к. α₁ и α₂ невелики) диэлектрическим пластинам положение, т. е. ЖК слой принудительно возвратится в исходное состояние А. Время такой принудительной релаксации определяется величиной Δε и амплитудой напряжения U_E по формуле (1), и может быть уменьшено до долей миллисекунд.

Согласно третьему частному варианту способа, высокочастотный сигнал амплитудой U_E0 и частотой f>f₀ подается в течение времени стирания Δt_E0 последовательно на все строки в конце времени кадра. Длительность Δt_E0 и амплитуда U_E0 должны быть такими, чтобы к началу записывающей части такта i-той строки все элементы этой строки возвратились в исходное состояние. (Записывающие сигналы во втором частном варианте способа подаются так же, как и в его первом частном варианте). Осуществляя таким образом принудительную релаксацию в заданное время, можно обеспечить стабильную длительность "высвечивания" элементов экрана, не зависящую от колебаний величины приложенного напряжения, сопротивления электродов, изменения температуры окружающей среды и т.д.

При реализации данного способа без ущерба для быстродействия экрана величина времени τ_memory (соответствующая условиям естественной релаксации данной конфигурации) может быть выбрана больше Т_F развертки кадра, поскольку из-за наличия принудительного стирания реальное время существования рассматриваемой конфигурации не будет превосходить время Т_F развертки кадра.

В четвертом частном варианте способа i-й такт разбивают на следующие друг за другом такты записи и стирания, и в течение последнего подают на i-тую строку стирающий сигнал с частотой f, которая выше критической частоты f₀ смены знака диэлектрической анизотропии жидкого кристалла, при этом варьируют амплитудой U_E стирающего сигнала и длительностью Δt_E периода стирания, управляя тем самым скоростью и степенью устранения самокомпенсирующейся конфигурации в соответствующих областях ЖК слоя; тем самым обеспечивается реализация многоградационного (полутонового) изображения. Длительность кадра может быть разделена на подкадры по числу полутонов, и формирование серой шкалы обеспечивается соответствующим изменением скважности стирающего сигнала.

В пятом частном варианте способа стирающий сигнал в виде знакопеременного меандра с варьируемой амплитудой U_E и частотой f>f₀ формируют только на выключаемых элементах i-той строки, для чего подают на электрод последней сигнал в виде знакопеременного меандра с частотой f₁, равной f/3<f₀, а на электроды столбцов, соответствующих выключаемым элементам i-той строки, подают сигнал в виде последовательности групп знакопеременных импульсов амплитудой U_E, при этом период T₁ последовательности равен 1/f₁, длительность каждого импульса равна T₁/3k, где k - число импульсов в группе, а знак каждого текущего импульса совпадает со знаком текущей амплитуды меандра.

Рассмотрим реализацию пятого частного варианта способа для случая, когда k= 1. В этом случае для получения высокочастотного (f₁>f₀) знакопеременного меандра используется комбинация двух низкочастотных (f₁<f₀) знакопеременных меандров. А именно, на электрод столбца подается знакопеременный меандр амплитудой U_E и частотой f₁, а на электрод строки - последовательность знакопеременных импульсов той же амплитуды с той же частотой f₁, но со скважностью, равной 3. Видно (фиг.4), что результирующий (комбинационный) стирающий сигнал имеет амплитуду U_E и частоту 3f>f₀, в то время как каждый из исходных сигналов имел частоту, меньшую f₀. Тем самым обеспечивается селективная подача высокочастотного напряжения только на выключаемые элементы для принудительного возврата последних в исходное состояние.

Конкретные примеры реализации и конкретные значения параметров экрана и способа управления им.

В качестве диэлектрических пластин 2 и 3 используются стеклянные пластины с окисно-индиевыми электродами 6,7, покрытые полимерными слоями 8,9 из материала АД9103, обеспечивающим угол наклона приповерхностных молекул (угол преднаклона) величинами α₁ = -α₂ = 2÷3^°; ЖК слой 1 толщиной d=6,3 мкм выполнен из материала типа ЖКМ3064 (производства МНПО "НИИОПиК", Россия) с Δn= 0,1 и оптически активной добавкой ХДН-1, обеспечивающей спиральную закрутку молекул на угол β₀ = 180^° при равновесном шаге спирали Р=20 мкм. Поляроидные пленки 5 и 6 - типа NPF G1229DU фирмы Nitto (Япония), оптическая ось поляроидной пленки 5 параллельна проекции вектора направления приповерхностных молекул, находящихся у диэлектрической стеклянной пластины 2, а оптическая ось поляроидной пленки 6 - перпендикулярна проекции вектора направления ориентации приповерхностных молекул у диэлектрической стеклянной пластины 3. Произведение Δn на d равно 0,63 мкм.

В таблице представлены конкретные временные параметры для примера конкретной реализации экрана, соответствующие различным значениям суммарной амплитуды U_Σ управляющего напряжения. Амплитуда напряжения - в вольтах, значения временных параметров - в миллисекундах.

Величина ϒ_Σ равна сумме амплитуд управляющих напряжений U_S+U_D, подаваемых соответственно на строку и столбец выбранного элемента экрана.

Например, для первого примера U_S=U_D=20 В, т.е. амплитуда U_Σ селектирующего импульса равна 40 В. Из таблицы видно, что при этом напряжении для завершения формирования самокомпенсирующейся конфигурации требуется τ_react = 0,1 мс. Длительность памяти τ_memory после снятия напряжения равна 20 мс. И еще столько же составляет время τ′ резкого изменения пропускания (τ′ = τ_relax-τ_memory). Для U=20 В (подаваемого на невыбранный элемент экрана) время задержки τ_delay оптического отклика составляет 0,21 мс, т.е. если электрический сигнал амплитудой U=20 В подается в течение только 0,1 мс, возбуждение невыбранных элементов экрана будет отсутствовать. Интервал затухания τ_decay (в составе цикла τ_cycle) должен составлять 50-100% времени слабого возбуждения ЖК слоя, которое равно времени τ_react = 0,1 мc, т.е. τ_decay = 0,05-0,1 мc. Тогда время цикла τ_cycle = τ_react+τ_decay = 0,15-0,2 мc, время кадра T_F = τ_memory = 20 мc. Достижимый уровень мультиплексирования (число строк) N = T_F/τ_cycle = 133 строки (266 строк для двойной матрицы).

Для другого примера - при U_S=U_D=80 В (см. таблицу) время τ_delay = 0,01 мc. Пусть в течение i-того такта τ_cycle напряжение U_D на столбцы выбранных элементов i-той строки подается в первую половину τ_WD периода записи, а напряжение U_S на i-тую строку - во вторую половину τ_WS периода записи. Тогда длительность сигнала амплитудой 80 В на селектируемых элементах равна 0,02 мс, что достаточно для включения (поскольку τ_react = 0,02 мc). Интервал затухания τ_decay для невыбранных элементов всех других строк занимает вторую половину такта, а для невыбранных элементов i-той строки - первую половину следующего такта. Следовательно, время такта τ_cycle сокращается до величины τ_react = 0,02 мc, что при T_F = τ_memory = 20 мc дает N = T_F/τ_cycle = 1000 (в двойной матрице N=2000).

Для всех указанных в таблице режимов максимальное пропускание экрана составляло 15%, контраст экрана без пленочного компенсатора - около 500:1, а угол обзора, в пределах которого контраст выше 20:1, равнялся ±45^o в плоскости, перпендикулярной направлению исходной ориентации молекул (в горизонтальной плоскости), и ±70^o - в вертикальной плоскости (соответствующей направлению исходной ориентации молекул). Коэффициент К₀ начального светового пропускания (световая эффективность) экрана может составлять 10-30% (в зависимости от величины угла β₀ спиральной закрутки, оптической анизотропии Δn и толщины d ЖК слоя). Для многих ЖК материалов может быть подобран оптимальный режим работы в режиме с самокомпенсирующейся конфигурацией, исходя из угла спиральной закрутки β₀, произведения величины оптической анизотропии Δn на толщину d ЖК слоя, а также значений τ_relax,τ_memory и τ_react. Например, для ЖКМ1391 (производства МНПО "НИИОПиК", Россия) при β₀ = 180^°,α₁ = -α₂ = 2^° и при Δn=0,13 максимальное начальное пропускание К₀ наблюдается при Δn d=0,55 мкм (при d= 4 мкм) и составляет 17%. При этом τ_memory = 10 мc. При угле закрутки β₀ = 210^° максимальное пропускание К₀ наблюдается при Δn d=0,65 мкм (при d=4,6 мкм) и составляет 25%, при напряжении 13 В контраст равен 250:1, τ_react = 0,8 мc,τ_memory = 8 мc,τ_relax = 45 мc.

Конкретный пример использования смены знака диэлетрической анизотропии ЖК слоя для ускорения возврата последнего в исходное состояние: при использовании ЖК материала ЖКМ1862 (производства МНПО "НИИОПиК", Россия) подача напряжения амплитудой U_E0=20 В (либо 60 В) частотой 15 кГц (f₀=9 кГц) в течение Δt_E0= 1 мс (либо соответственно 0,1 мс) принудительно возвращает ЖК слой из состояния с самокомпенсирующейся конфигурацией в исходное состояние.

Пассивно-матричный экран на основе динамической самокомпенсирующейся конфигурации ЖК слоя и способ управления таким экраном могут быть использованы для создания плоских высококонтрастных дисплеев телевизионного типа, позволяющих без запаздывания воспроизводить быстро меняющиеся (в том числе цветные) изображения при широком угле обзора и числе N строк около 1000-2000 при применении стандартных ЖК материалов и при пониженных технологических требованиях к соблюдению однородности толщины ЖК слоя, качеству начальной ориентации ЖК молекул и др.

Литература
1. Патент США 6040813, МКИ G 09 G 3/36, НКИ 345/92, опуб. 21.03.00.

2. Патент США 5977943, МКИ G 09 G 3/36, НКИ 345/98, опуб. 02.10.99.

3. А. С. Сухариер. Жидкокристаллические индикаторы. М.: Радио и связь, 1991, с.7-10.1

Изобретение относится к устройствам воспроизведения изображений и способам управления этими устройствами. Его применение в указанных устройствах позволяет получить технический результат в виде улучшения контрастных и временных характеристик экрана при одновременном увеличении угла обзора. Этот результат достигается благодаря тому, что в заявленном экране жидкокристаллический слой выполнен с возможностью существования динамической самокомпенсирующейся конфигурации, а оптические оси поляроидных пленок расположены по биссектрисам углов между векторами ориентации приповерхностных молекул. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Пассивно-матричный жидкокристаллический экран, содержащий жидкокристаллический слой, состоящий из нематических жидкокристаллических молекул с положительной диэлектрической анизотропией, и расположенный между первой и второй прозрачными диэлектрическими пластинами, на внешних поверхностях которых находятся соответственно первая и вторая поляроидные пленки, а на внутренних поверхностях - соответственно первая и вторая группы прозрачных электродов, которые образуют соответственно N строк и М столбцов матрицы, на которые нанесены первый и второй полимерные слои, задающие ориентацию прилегающих к ним молекул соответственно в первом и втором направлениях с углами наклона α₁ и α₂ к поверхностям соответствующих диэлектрических пластин, причем в жидкокристаллическом слое присутствует вращательная добавка, задающая исходную спиральную ориентацию молекул на угол β₀ в объеме жидкокристаллического слоя, отличающийся тем, что оптические оси первой и второй поляроидных пленок совпадают с биссектрисами смежных углов между проекциями векторов ориентации молекул, прилегающих к первой и второй диэлектрическим пластинам, на плоскости этих пластин, жидкокристаллический слой выполнен с возможностью существования в нем динамической самокомпенсирующейся конфигурации, время формирования которой не превосходит времени развертки одной строки экрана, время существования которой не превосходит времени Т_F кадровой развертки экрана, и структура которой характеризуется постепенным изменением угла наклона молекул по толщине жидкокристаллического слоя от величины α₁ до величины α₂ с переходом через величину α_c = 90^° для молекул в центральной части жидкокристаллического слоя, причем знак угла поворота молекул при переходе от угла α₁ к углу α_c = 90^° противоположен знаку угла поворота молекул при переходе от угла α_c = 90^° к углу α₂, а пороговая характеристика экрана определена энергетическим барьером между исходным состоянием жидкокристаллического слоя и его состоянием с наличием динамической самокомпенсирующейся конфигурации. 2. Пассивно-матричный жидкокристаллический экран по п.1, отличающийся тем, что угол закрутки β₀ равен 180^o, углы наклона молекул отвечают условию α₁= -α₂, оптические оси первой и второй поляроидных пленок взаимно ортогональны, и оптическая ось по крайней мере одной из них параллельна проекции на ее поверхность вектора ориентации молекул, находящихся у ближайшей к данной поляроидной пленке поверхности жидкокристаллического слоя, при этом произведение величины оптической анизотропии Δn на толщину d жидкокристаллического слоя находится в пределах 0,4 мкм ≤ Δnd ≤ 0,7 мкм. 3. Пассивно-матричный жидкокристаллический экран по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно введен пленочный компенсатор между по крайней мере одной из диэлектрических пластин и прилегающей к ней поляроидной пленкой. 4. Пассивно-матричный жидкокристаллический экран по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что прозрачный электрод каждого столбца разделен на три продольных сегмента, в экран дополнительно введены светофильтры, каждый из которых расположен между поверхностью одной из диэлектрических пластин и соответствующим сегментом прозрачного электрода, при этом каждому столбцу экрана соответствует триада светофильтров трех основных цветов. 5. Способ управления пассивно-матричным жидкокристаллическим экраном, заключающийся в том, что развертку кадра осуществляют в N последовательных тактов, подавая в каждом такте на электроды М столбцов и N строк экрана управляющие сигналы, действуя их результирующим электромагнитным полем на те области жидкокристаллического слоя, состоящего из нематических жидкокристаллических молекул с положительной диэлектрической анизотропией, которые соответствуют М•N элементам экрана, при этом в i-ом такте, где i=1, 2, ... N, включают заданные элементы только i-й строки, изменяя физические свойства соответствующих этим элементам областей жидкокристаллического слоя путем превышения в этих областях определенного значения амплитуды результирующего электромагнитного поля, отличающийся тем, что в начале каждого i-го такта развертки кадра выделяют период записи длительностью t_W, в течение которого действуют электромагнитным полем записывающих сигналов с амплитудой U₁>U₀(t_W) на те области жидкокристаллического слоя, которые соответствуют включаемым элементам i-й строки, где U₀(t_W) - пороговое напряжение формирования динамической самокомпенсирующейся конфигурации жидкокристаллического слоя, соответствующее длительности времени t_W периода записи, в том же i-ом такте в течение того же периода записи длительностью t_W на соответствующие невключаемым элементам i-й строки области жидкокристаллического слоя либо не подают электромагнитное поле управляющих сигналов, либо действуют на эти области электромагнитным полем записывающих сигналов с амплитудой U₂<U₀(t_W), оставляя тем самым указанные области жидкокристаллического слоя в исходном состоянии либо переводя их в слабовозбужденное состояние, а в остальные 1, . .., i-1, i+1, ..., N такты развертки данного кадра в течение всех соответствующих периодов записи на области жидкокристаллического слоя, соответствующие i-й строке, действуют электромагнитным полем записывающих сигналов с амплитудой U₂<U₀(t_W) либо снимают электромагнитное поле с указанных областей. 6. Способ управления пассивно-матричным жидкокристаллическим экраном по п.5, отличающийся тем, что в течение i-го периода записи длительностью t_W на электрод i-й строки подают записывающий сигнал в виде напряжения величиной U_S, на электроды столбцов включаемых элементов i-й строки подают записывающие сигналы в виде напряжения величиной U_D, а на электроды остальных столбцов и строк подают нулевое напряжение, при этом длительность t_W i-го периода записи выбирается в соответствии с условиями t_W>T_D+S, t_W<Т_D, t_W<T_S, где T_D+S, T_D и Т_S - времена формирования динамической самокомпенсирующейся конфигурации жидкокристаллического слоя под действием напряжения соответственно величинами U_S+U_D, U_D и U_S, а в остальное время i-го такта на все электроды экрана подают нулевое напряжение, причем длительность остального времени такта выбирается достаточной для возвращения невключаемых элементов 1, 2, ..., i-й строк и всех элементов i+1, i+2, ..., N-й строк экрана из слабовозбужденного состояния в исходное состояние. 7. Способ управления пассивно-матричным жидкокристаллическим экраном по п.5, отличающийся тем, что i-й период записи разбивают на два смежных временных интервала t_WS и t_WD, в течение интервала t_WS подают напряжение величиной U_S только на электроды i-й строки, а на электроды остальных строк и всех столбцов подают нулевое напряжение, а в течение интервала t_WD подают напряжение U_D только на электроды тех столбцов, которые соответствуют включаемым элементам i-й строки, а на электроды всех остальных строк и столбцов подают нулевое напряжение, при этом величины временных интервалов выбирают в соответствии с условиями t_WS+t_WD>T_D, t_WS+t_WD>T_S, t_WS<T_S, t_WD<T_D, где T_D и T_S - времена формирования динамической самокомпенсирующейся конфигурации жидкокристаллического слоя под действием напряжения соответственно величинами U_D и U_S, а в остальное время i-го такта на все электроды экрана подают нулевое напряжение, причем длительность остального времени такта выбирается достаточной для возвращения невключаемых элементов 1, 2, ..., i-й строк и всех элементов i+1, i+2, ..., N-й строк экрана из слабовозбужденного состояния в исходное состояние. 8. Способ управления пассивно-матричным жидкокристаллическим экраном по п. 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что i-й такт разбивают на следующие друг за другом i-й такт стирания и i-й такт записи, в течение первого из которых на i-ю строку подают стирающий сигнал амплитудой U_E, частота f которого больше критической частоты f₀ смены знака диэлектрической анизотропии нематического жидкого кристалла, а величина амплитуды U_EO стирающего сигнала в течение длительности Δt_EO периода стирания обеспечивает полное устранение динамической самокомпенсирующейся конфигурации во всех областях жидкокристаллического слоя, соответствующих i-й строке. 9. Способ управления пассивно-матричным жидкокристаллическим экраном по п. 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что i-й такт разбивают на следующие друг за другом такты записи и стирания, и в течение последнего подают на i-ю строку стирающий сигнал с частотой f, которая выше критической частоты f₀ смены знака диэлектрической анизотропии нематического жидкого кристалла, при этом варьируют амплитудой U_E стирающего сигнала и длительностью Δt_E периода стирания, управляя тем самым скоростью и степенью устранения динамической самокомпенсирующейся конфигурации в соответствующих областях жидкокристаллического слоя. 10. Способ управления пассивно-матричным жидкокристаллическим экраном по п. 8 или 9, отличающийся тем, что стирающий сигнал в виде знакопеременного меандра с варьируемой амплитудой U_E и частотой f>f₀ формируют только на выключаемых элементах i-й строки, для чего подают на электрод последней сигнал в виде знакопеременного меандра с частотой f₁, равной f/3<f₀, а на электроды столбцов, соответствующих выключаемым элементам i-й строки, подают сигнал в виде последовательности групп знакопеременных импульсов амплитудой U_E, при этом период T₁ последовательности равен 1/f₁, длительность каждого импульса равна T₁/3k, где k - число импульсов в группе, а знак каждого текущего импульса совпадает со знаком текущей амплитуды меандра.