ЭЛЕМЕНТ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДИСПЛЕЯ Российский патент 2005 года по МПК G02F1/133 

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

Известен элемент ЖК дисплея, содержащий слой ЖК, заключенный между двумя подложками с прозрачными электродами, и триаду светофильтров, пропускающих свет одной из трех первичных длин волн: R (красный), G (зеленый), В (синий) /1/. Светофильтры триады выполнены в виде полосок фотополимера, способного при освещении УФ-излучением изменять величину двулучепреломления. В каждой из полосок триады наведена разная величина двулучепреломления, такая, что при соответствующем расположении поляроидов каждая из полосок пропускает свет одного из первичных цветов.

Недостатками известного элемента являются высокая стоимость, обусловленная технологическими трудностями при изготовлении: на легкоплавкий фотополимер нужно наносить прозрачные электроды, ориентирующие и выравнивающие слои, невысокая долговечность, а также невысокая яркость изображений, обусловленная значительными потерями света при селекции. Селекция света нужной длины производится только с 1/3 площади всего элемента - субпикселя (и приходящегося на него светового потока), тогда как остальные 2/3 площади отведены для селекции двух других цветов и являются фактически световыми потерями.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является элемент дисплея, содержащий слой жидкого кристалла, заключенный между двумя подложками с прозрачными электродами, причем, по крайней мере, один из электродов разделен на полоски, ширины которых выбраны по закону формирования линзы Френеля, и выходную маску со щелями, совмещенными с фокусами линз Френеля /2/.

Технология изготовления известного элемента проще, потому он дешевле в изготовлении, долговечность элемента увеличена, поскольку отсутствуют фотополимерные и выравнивающие слои. Однако основной недостаток - невысокая яркость изображений за счет разделения площади элемента на три субпикселя - остается.

Целью настоящего изобретения является повышение яркости изображений в дисплеях создаваемых на базе предлагаемого элемента.

Поставленная цель достигается тем, что в известный элемент, содержащий слой жидкого кристалла, заключенный между двумя подложками с прозрачными электродами, причем, по крайней мере, один из электродов разделен на полоски, ширины которых выбраны по закону формирования линзы Френеля, выходную маску со щелями, совмещенными с фокусами линз Френеля, введена входная маска со щелями, растровый конденсор, второй из электродов разделен на полоски, ширины которых выбраны по закону формирования линзы Френеля, фокусные расстояния обеих линз Френеля заданы равными, но для разных длин волн.

Сущность настоящего изобретения поясняется на чертеже, где на:

- фиг.1а приведена конструкция элемента,

- фиг.1б приведена конструкция электродов,

- фиг.1в приведен ход лучей при напряжении, приложенном к одному из электродов верхней подложки и двум электродам нижней подложки,

- фиг.1г приведен ход лучей при напряжении, приложенном к двум электродам верхней подложки и одному из электродов нижней подложки.

Элемент жидкокристаллического дисплея состоит из слоя ЖК 1 с любым ориентационным (не рассеивающим) электрооптическим эффектом, способным обеспечить набег разности фаз, равный π.

Это могут быть ориентационные эффекты в исходно планарной, гомеотропной, твистовой или супертвистовой ориентациях, или ориентационные эффекты в сегнетоэлектрических ЖК.

Слой ЖК заключен между двумя прозрачными диэлектрическими подложками. Верхняя подложка 3 имеет систему полосчатых электродов 3 и 4, ширины которых R₁, R₂...R_k выбираются по закону формирования линз Френеля, приведенному ниже. Нижняя подложка 5 имеет систему полосчатых электродов 6 и 7, ширины которых R₁*, R₂*...R_k* выбираются по закону формирования линз Френеля, приведенному ниже. Элемент снабжен растровым конденсором 8 и непрозрачной входной маской 9 со щелями. Непрозрачная выходная маска 10 со щелями расположена на расстоянии f от слоя ЖК. Это расстояние может быть задано, например, толщиной подложки 5.

В исходном состоянии лучи белого неполяризованного цвета (RGB) освещают щели входной маски 9, которые размещены в фокусах растрового конденсора 8. Узкие пучки света, прошедшие сквозь щели входной маски, посредством конденсора преобразуются в параллельный пучок света, который освещает всю площадь слоя ЖК и систему электродов на подложках. Поскольку управляющие напряжения не приложены, то параллельный пучок света не претерпевает никаких изменений, достигает выходной маски 10 и поглощается, за исключением доли, приходящейся на щели выходной маски. Таким образом, реализуется первое оптическое состояние элемента - ТЕМНО.

Известно, что система концетрических прозрачных и непрозрачных колец действует на проходящий сквозь нее свет как положительная линза (линза Френеля) при условии, что радиусы их выбраны из следующего соотношения:

Rk=(2kλf)^1/2.

Здесь Rk - радиус k-го кольца, k - номер радиуса кольца, λ - длина волны света, f - фокусное расстояние линзы.

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

Если используется система прозрачных и непрозрачных полосок, расстояния между которыми подчиняются этому соотношению, то эта система действует как цилиндрическая линза Френеля.

Группы электродов-полосок 3, 4 на подложке 2 (фиг.1б) и 6, 7 на подложке 5 (фиг.1г) сформированы с использованием приведенного выше соотношения. Промежутки между электродами 3, 4 и 6, 7 должны быть сведены к технологически достижимому минимуму с тем, чтобы не вносить помех в работу линз.

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

Принцип селекции цветов поясняется на фиг.1в, 1г.

Если управляющее напряжение приложено к полоскам электрода 4 подложки 2 и соединенным вместе электродам 6, 7 подложки 5 (они используются как единый сплошной электрод), исходная ориентация ЖК будет нарушена в областях под электродами 4. В пределах элемента возникнет система полосок с исходной и нарушенной ориентацией ЖК. Если исходная ориентация, толщина слоя ЖК и величина управляющих напряжений выбраны таким образом, что набег фаз между участками с исходной и нарушенной ориентацией равен π, то система полосок начинает работать как цилиндрическая линза Френеля. Фокусные расстояния для длин волн R, G, B равны, соответственно f_R, f_G, f_в (фиг.1в).

Если выходная маска 10 расположена на расстоянии f=f_G от слоя ЖК, а щели ее размещены точно в фокусе образовавшейся линзы, то при поданной комбинации напряжений сквозь щели выходной маски начнет проходить свет с длиной волны G, тогда как остальные цвета образуют несфокусированные размытые пятна на поверхности маски 10 и лишь незначительная доля их пройдет через эту же щель. Таким образом, реализуется второе оптическое состояние элемента ЦВЕТ 1 (зеленый).

Для того чтобы реализовать третье оптическое состояние - ЦВЕТ 2, (например, красный), для системы электродов 6, 7 подложки 5, необходимо задать величины Rk* таким образом, чтобы f=f_R* (фиг.1 г). Тогда при приложении напряжения к системе электродов 6 подложки 5 и соединенным вместе электродам 3, 4 подложки 2 возникнет линза с фокусным расстоянием f_R=f. При этой комбинации подачи управляющих напряжений через ту же щель выходной маски будет проходить цвет с длиной волны R (красный) и реализовано третье оптическое состояние ЦВЕТ 2.

Спектральная ширина цветов и их интенсивность на выходе из щели определяется шириной щели. Более узкая щель дает более чистые цвета, но с меньшей интенсивностью.

Количество света одной длины волны, сконцетрированное в определенном фокусе, зависит от набега фаз между переориентированными участками и участками с исходной ориентацией. Набег фаз зависит от величины приложенного управляющего напряжения. Таким образом, наряду с селекцией цветов можно модулировать интенсивность проходящего света, причем это осуществляется без применения поляроидов.

Таким образом, элемент предложенной конструкции позволяет два цвета на площади одного субпикселя и тем самым на 1/3 увеличить яркость изображений.

Для того чтобы на базе настоящего элемента реализовать полноцветный дисплей (RGB-систему), необходимо на один пиксель дисплея использовать два элемента предложенной конструкции. На одном элементе будет реализовано 2 цвета, например R и G, а на другом реализован цвет В, и либо не используется второй цвет, либо реализуется четвертый цвет, нужный в высококачественных дисплеях.

Таким образом, при использовании. всего двух субпикселей (а не трех, как в прототипе) можно создать полноцветную систему индикации, яркость изображений в которой в 1,5 раза выше, что и является целью изобретения.

Источники информации

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

2. Заявка на патент №98121162/25 (023164), приоритет 23.11.98 г.

Изобретение относится к измерительной технике. Элемент жидкокристаллического дисплея содержит слой жидкого кристалла, заключенный между двумя подложками с прозрачными электродами, причем, по крайней мере, один из электродов разделен на полоски, ширины которых выбраны по закону формирования линзы Френеля, и выходную маску со щелями, совмещенными с фокусами линз Френеля. В элемент введена входная маска со щелями, растровый конденсор, второй из электродов разделен на полоски, ширины которых выбраны по закону формирования линзы Френеля, фокусные расстояния обеих линз Френеля заданы равными, но для разных длин волн. Технический результат - повышение яркости изображения. 4 ил.

Элемент жидкокристаллического дисплея, содержащий слой жидкого кристалла, заключенный между двумя подложками с прозрачными электродами, причем, по крайней мере, один из электродов разделен на полоски, ширины которых выбраны по закону формирования линзы Френеля, выходную маску со щелями, совмещенными с фокусами линз Френеля, отличающийся тем, что введена входная маска со щелями, растровый конденсор, второй из электродов разделен на полоски, ширины которых выбраны по закону формирования линзы Френеля, фокусные расстояния обеих линз Френеля заданы равными, но для разных длин волн.