CN107209431B - 立式螺旋铁电液晶显示单元 - Google Patents

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Abstract

一种立式螺旋铁电液晶显示单元包括：两个透明基板(102A,102B)；铁电液晶层(104)，其包括立式螺旋结构的铁电液晶，所述铁电液晶层(104)设置在所述两个透明基板(102A,102B)之间，所述铁电液晶具有垂直于两个透明基板(102A,102B)的螺旋轴线和比入射到两个透明基板(102A,102B)中至少一个的偏振光的波长短的手性近晶液晶螺距；以及叉指电极(105)，其被设置为与两个透明基板(102A,102B)共面，所述叉指电极配置为向铁电液晶层(104)施加电场，所述电场提供的驱动电压低于螺旋解旋的临界电压。

Description

立式螺旋铁电液晶显示单元
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2015年1月20日提交的美国临时专利申请No.62/125,350的优先权，该申请全部内容以引用方式并入本文中。
背景技术
如今，液晶显示器(LCD)装置由于如下优点得以在计算器至电视机的范围内的各种领域中广泛应用，所述优点为：液晶显示器(LCD)装置具有与阴极射线管的显示性能相当的优异的显示性能、具有通过轻薄轻巧结构示出的节省空间的特性、以及具有诸如低功耗的其它有用的特征。
彩色显示器基于“加色混合法”。当两种或更多种彩色光束进入人眼时，光束在视网膜上组合，并被感知为不同的颜色。基于这个原理，可以通过以适当的比例相加地混合三基色(R(红)、G(绿)和B(蓝))来获得任何颜色。
实现“加色混合”的一个方法是“同步加色混合法”。在彩色LCD装置中，将与R、G和B相对应的三个滤色片与三个LCD面板组合使用，并且将三个彩色图像同步地投影到屏幕上，使得彩色图像叠加且合并成一个显示图像。
实现“加色混合”的另一个方法是“连续加色混合法”。这个方法利用人眼的瞬时分辨率极限。更具体地，这个方法是利用这样一种现象：当连续的颜色变化太快以致于人眼无法察觉的时候，之前颜色的留存使该颜色与随后的颜色混合，从而使连续的颜色相组合，并被人眼感知为一种颜色。
用于混合颜色的“同步”和“连续”机制都能为显示器的每个像素实现任何所需颜色，使得显示器提供高分辨率图像以及优异的色彩再现。
发明内容
在示例性实施例中，本发明提供一种立式螺旋铁电液晶显示单元，包括：两个透明基板；铁电液晶层，其包括立式螺旋结构的铁电液晶，所述铁电液晶层设置在所述两个透明基板之间，所述铁电液晶具有垂直于两个透明基板的螺旋轴线和比入射到两个透明基板中的至少一个的偏振光的波长短的手性近晶液晶螺距；以及叉指电极，其被设置为与所述两个透明基板共面，所述叉指电极配置为向铁电液晶层施加电场，所述电场提供的驱动电压低于螺旋解旋的临界电压。
在另一示例实施例中，本发明提供一种场序彩色显示器，该场序彩色显示器包括立式螺旋铁电液晶显示单元，所述立式螺旋铁电液晶显示单元包括：两个透明基板；铁电液晶层，其包括立式螺旋结构的铁电液晶，所述铁电液晶层设置在所述两个透明基板之间，所述铁电液晶具有垂直于所述两个透明基板的螺旋轴线和比入射到所述两个透明基板中的至少一个的偏振光的波长短的手性近晶液晶螺距；以及叉指电极，其被设置为与所述两个透明基板共面，所述叉指电极配置为向所述铁电液晶层施加电场，所述电场提供的驱动电压低于螺旋解旋的临界电压；其中，所述场序彩色显示器配置为通过整合快速切换的不同的色场中的图像来生成彩色图像。
附图说明
下面将基于示例性附图更详细地描述本发明。本发明不限于示例性实施例。本文所描述的和/或所说明的所有特征可在本发明的实施例中单独使用或以不同的组合方式组合使用。通过参照附图阅读下面的详细描述，本发明的各实施例的特征和优势将变得显而易见，附图说明如下：
图1示出了示例性实施例中的立式螺旋铁电液晶显示单元；
图2示出了显示透射强度(任意单位)与施加在液晶层两端电场电压的非线性函数关系曲线图；
图3是示例性立式螺旋铁电液晶显示单元的切换时间和所施加电场的函数关系曲线；
图4是通过将电场从负电场改变为正电场(大圈)以及通过在相反周期内将电场从正电场改变为负电场(小圈)而形成的作为电场的函数的透射率的曲线图；
图5示出了示例性立式螺旋铁电液晶显示单元的电光响应，其中,顶部(对应于右侧垂直轴)代表所施加的电场，并且底部(对应于左侧垂直轴)代表示例性立式螺旋铁电液晶显示单元的电光响应；
图6是示出了用于基于示例性立式螺旋铁电液晶显示单元的场序彩色显示器的模拟驱动方案的曲线图；
图7是示出了用于基于示例性立式螺旋铁电液晶显示单元的FSC显示器的数字驱动方案的曲线图；
图8(a)示出了基于示例性实施例中的立式螺旋铁电液晶显示单元的场序彩色显示器；以及
图8(b)是示出了通过图8(a)的场序彩色显示器可实现的各种颜色的示例的图像的灰度版本。
具体实施方式
场序彩色(FSC)显示装置是基于用于混合颜色的“连续”机制，并且相对于依赖于混合颜色的“相加”机制的显示器而言能够实现某些优势。例如，对于FSC显示装置而言，可以避免与使用三个滤色片的制造装置相关联的复杂和昂贵的工艺过程。另外，FSC显示装置的光透射效率显著高于使用滤色片的装置的光透射率，这是因为由FSC显示装置提供的光不必穿过三个不同的滤色片。这使FSC显示装置相对于相同的分辨率级别的非FSC显示装置而言能够实现更低的功率消耗和/或更高的亮度。
另一方面，FSC LCD装置的运行速度也相对地要比非FSC LCD装置的运行速度更高。例如，为了实现240Hz的色帧频，FSC LCD装置将需要具有至少大约720Hz的驱动频率。对于常规的FSC LCD装置，这么高的调制速率可引发例如与滞后、温度依赖性、和/或需要复杂的材料处理相关的各种问题。
本发明的实施例提供了一种立式螺旋铁电液晶显示单元，为了避免偏振态旋转的影响，该立式螺旋铁电液晶显示单元的螺距远远短于穿过夹在如下的两个透明板之间的液晶层的偏振光的波长(例如，取决于显示器的对应工作波长，例如蓝光)，所述透明板的一个面或两个面上设有叉指电极。即，材料的节距应足够小，以避免材料充当使入射光的偏振态旋转的波导。螺旋轴线垂直于基板，并且将具有低于螺旋解旋的临界电压的电压幅值的电压源施加到所述单元的电极。当主光轴沿螺旋轴线指向时，液晶具有以在未施加电压的情况下的无畸变的螺旋为特征的一个平衡态。轴线在驱动电压的作用下围绕电场转动，由此提供入射光无滞后并且对驱动电压极性不敏感的连续调制。在入射的线性偏振光入射到基板上，并且光偏振态平行于或者垂直于频率范围在10Hz和5kHz之间的驱动电压的电场的情况下，显示出电控相位延迟的灰度。
根据本发明的各实施例的立式螺旋铁电液晶显示单元提供了快速的响应时间和连续的灰度，并且可用在FSC LCD装置和诸如快速响应光电装置(例如，调制器、滤色片、衰减器等)的其它应用中。这些立式螺旋铁电液晶显示单元对于在光透射状态下提供连续灰度的驱动电压极性表现出无滞后和不敏感。电控相位延迟导致透射率的变化，因而产生灰度。
图1示出了示例性实施例中的立式螺旋铁电液晶显示单元。立式螺旋铁电液晶显示单元包括正交偏振片(101A,101B)、玻璃基板(102A,102B)、取向层(103A,103B)、具有立式螺旋铁电液晶的液晶层(104)、以及叉指电极(105)。
具体地，液晶层是具有手性近晶C*相的立式螺旋铁电液晶的手性液晶层，该液晶的螺旋结构具有小于间隙d的节距p0。节距p0还小于所述光的波长(例如，对于显示器而言，小于450nm)。液晶层夹在第一基板和第二基板之间。对于液晶和基板之间的任何边界条件，提供了立式螺旋结构。
本发明的示例性实施例是基于利用立式螺旋变形的螺旋铁电液晶(即，相应于垂直取向)。变形的螺旋铁电液晶的特征在于平面内配置中的无滞后的电光响应，并且该同样的特征也复制到立式螺旋结构中。此外，立式螺旋结构和垂直取向提供了对不同应用有利的克尔型(Kerr-like)非线性效应。关于变形的螺旋铁电液晶中的Kerr效应的一些细节可以在例如如下文献中找到，所述文献为E.P.Pozhidaev et al.,“Orientational Kerreffect and phase modulation of light in deformed-helix ferroelectric liquidcrystals with subwavelength pitch,”Physical Review E 87,052502(2013),该文献以整体引用地方式并入本文中。
在示例性实例中，立式螺旋结构是利用非常疏水的取向层得以实现(疏水性提供了垂直取向，并且通常疏水性越高越好)的。在示例性实施例中，非常疏水的取向层由铬盐制造而成。
在施加应比螺旋解旋的临界电压(此处简称为Vc)小的所施加的驱动电压V时，立式螺旋铁电LCD单元表现出在其中透射率显示出对所施加电压的非线性依赖的电光调制(见图2)。图2是示出了立式螺旋铁电LCD单元的强度(任意单位)与施加在液晶层两端的电场电压的函数关系曲线图。强度随电压变化显示了克尔效应型趋势。
变形的螺旋铁电液晶(DHF FLC)单元的电控双折射率是入射光的快速电光调制的基础，这适用于场序彩色显示装置。电控双折射率Δneff(E)＝<ne(E)-no(E)>是FLC螺旋结构变形和电场中的FLC主轴的偏移Δα(E)所导致的结果。
图3是示例性立式螺旋铁电液晶显示单元的切换时间与所施加电场的函数关系曲线图。图4是通过将电场从负电场改变为正电场(大圈)以及通过在相反周期内将电场从正电场改变为负电场(小圈)而形成的作为电场的函数的透射率的曲线图。图4所示的效果与电光效应中的无任何滞后的V型切换(V-shape switching)相对应。图5示出了示例性立式螺旋铁电液晶显示单元的电光响应，其中，顶部部分(对应于右侧垂直轴)代表所施加的电场，并且底部(对应于左侧垂直轴)代表示例性立式螺旋铁电液晶显示单元的电光响应。对于所施加电场的正极性和负极性，响应都是对称的。
对于示例性立式螺旋铁电液晶显示单元，图3和图4示出了这样一种情况：如果夹在一对基板之间的、并放置在两个正交偏振片和检偏器之间的立式螺旋铁电液晶层的螺旋轴线和主光轴平行于偏振面或垂直于偏振面，并且对液晶施加AC矩形电压脉冲V<Vc，则特征性的切换时间小于100μs(见图3)，并且电光响应对驱动电压极性不敏感(见图4)。此外，示例的立式螺旋铁电液晶显示单元表现出在光透射饱和状态的闭合曲线的完美高频V型模式(见图4)，并带有如图5所示的对称矩形的符号改变的驱动电压脉冲。
在示例实施例中，对于示例性立式螺旋铁电液晶显示单元来说，有两种生成灰度的方法。第一种方法在图6中示出，第二种方法在图7中示出。
图6是示出了基于示例性立式螺旋铁电液晶显示单元的FSC显示器的模拟驱动方案的曲线图。如在图6中可以看出的，灰度通过在不同色场中所施加的电压的不同幅值来控制的。此外，在色帧里，任意基色的光透射都不取决于驱动电压脉冲极性，而只取决于幅值，所以：TR(+VR)＝TR(-VR),TG(+VG)＝TG(-VG),TB(+VB)＝TB(-VB)。因此，示例性立式螺旋铁电液晶显示单元为色帧内的光的任意基色提供无滞后且对驱动电压极性不敏感的电控的光透射，并且能够基于加色混合的构思实现任意颜色。
图7是示出了对于基于示例性立式螺旋铁电液晶显示单元的FSC显示器的数字驱动方案的曲线图。如在图7中可以看出的，灰度是通过不同色场中的具有固定幅值的电脉冲的脉冲持续时间来控制的。换句话说，不同的灰度是基于脉冲持续时间的调制而产生的，而不是基于驱动脉冲的幅值而产生的。通过控制脉冲持续时间，可以控制每个不同的子色帧内的光透射率，从而实现不同的颜色。
图8(a)示出了基于示例性实施例中的立式螺旋铁电液晶显示单元的FSC显示器。与图1所示的立式螺旋铁电液晶显示单元相似，图8(a)的FSC显示器包括正交偏振片(101A,101B)、玻璃基板(102A,102B)、取向层(103A,103B)、具有立式螺旋铁电液晶的液晶层(104)、以及叉指电极(105)。图8(a)还包括背光源，在本示例中所述背光源是发光二极管(LED)背光源(106)。LED背光源(106)是具有不同颜色的不同LED的光源。通过叉指电极(105)提供面内电场。在示例性实施例中，显示器频率被设置为240Hz。
图8(b)是示出通过图8(a)的FSC显示器可实现的不同颜色的示例的图像。在本申请中，虽然以灰度重现了图像，以使原始颜色不被示出，但是此图像与如下这样的演示相对应：图8(a)的FSC显示器能够在实现高亮度和对比度的同时产生不同的颜色和这些颜色的不同灰度。
因此，本发明的实施例提供了能够实现快速响应时间和连续灰度的立式螺旋铁电液晶显示单元，使得例如利用本发明的实施例的FSC LCD显示器不仅具有丰富的鲜艳色彩、较低功耗、和较高的亮度和对比度，还易于制造(例如，无需复杂的材料加工和复杂的电极结构)。
在示例性实施例中，立式螺旋铁电液晶显示单元包括：铁电液晶，其夹在两个透明基板之间，并且具有垂直于基板的螺旋轴线，其中，手性近晶液晶螺距短于入射在如下基板上的偏振光的波长，基板平面内的叉指电极给液晶施加电场，驱动电压低于螺旋解旋的临界电压。
在示例性实施例中，透明基板由玻璃或塑料制成。
在示例性实施例中，叉指电极是通过图案化任意透明导电层来提供的(例如，主要由铟锡氧化物(ITO)制成的透明电极)。
在示例性实施例中，基于在一个或两个基板上的取向层的垂直取向为液晶层的液晶提供立式螺旋结构(即，垂直取向材料处理提供了立式螺旋结构)。
在示例性实施例中，取向层是溶解在任何溶剂中的硬脂酸盐铬。
在示例性实施例中，驱动电压是经由叉指电极通过有源驱动或无源驱动(例如，利用有源矩阵驱动方案或无源矩阵驱动方案)来提供的。
在示例性实施例中，液晶具有以在未施加电压情况下的无畸变的螺旋为特征的一个平衡态，所述平衡态为与沿螺旋轴线传播的光无关的偏振。即，在立式螺旋结构中，螺旋平行于光的传播的方向。如果螺旋如以上所述的那样足够的小，则穿过螺旋的光就不会经历任何双折射。因此，在不存在电场的情况下，液晶表现为对入射光的偏振不敏感的各向同性介质。
在示例性实施例中，驱动电压提供连续的、无滞后的并且对驱动电压极性不敏感的光调制。即，系统的电光响应对于电场的两极性是相同，并且不会显现出任何滞后。
在示例性实施例中，螺旋节距小于通过液晶层的偏振光的波长，以避免沿着螺旋轴线通过的光的偏振态旋转、衍射和散射的影响。换句话说，对于通过显示单元的偏振光，在液晶材料的螺距足够大的情况下，所述液晶材料可充当波导，并且由于所述螺距，所述材料会使入射光的偏振面旋转。然而，如果节距与入射光波长相比足够小，则入射光就不会表现出衍射或散射。
在示例性实施例中，在一个或两个基板上的叉指电极用于施加平行于基板的电场。
在示例性实施例中，所施加的电压的频率在10Hz至5kHz的范围内。
在示例性实施例中，使用了透射模式和反射模式这两种模式。因此，示例性实施例可用于透射式显示器和反射式显示器。
在示例性实施例中，立式螺旋铁电液晶显示单元被并入到FSC显示器中，所述FSC显示器配置为基于与快速切换的不同的色场相对应的子图像的整合来生成彩色图像。
在示例性实施例中，FSC显示器包括三个不同的色场。
在示例性实施例中，彩色图像的光学灰度是通过对不同的色场进行模拟驱动而生成的。
在示例性实施例中，彩色图像的光学灰度是通过对不同的色场进行数字驱动而生成的。
在示例性实施例中，立式螺旋铁电液晶显示单元可以与LCD装置的面内切换模式(IPS)和边缘场转换(FFS)模式结合使用。
本文所引用的包括出版物、专利申请和专利的所有参考文献通过引用方式并入本文中，所引用的程度如同每个参考文献被单独地且具体地指示为通过引用方式并入本文中并以其全部内容在本文中进行阐述一样。
除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)使用的术语“一”、“一个”、“所述”、“至少一个”和类似的指代词应被解释为涵盖了单数和复数。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则，在一个或多个项目的列表之后所使用的术语“至少一个”(例如，“A和B的至少一个”)应被解释为表示从所列出的项目中选择的一个项目(A或B)，或者所列出的项目中的两个或更多个的任意组合(A和B)。除非另有说明，否则，术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”将被解释为开放式术语(即，意味着“包括，但不限于”)。除非本文另有说明，否则，本文中数值范围的叙述仅仅旨在用作单独提及落在该范围内的每一个单独的值的速记方法，并且每个单独的值都如同在本文中被单独列举一样被并入到说明书中。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则，本文中所描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。除非另外要求，否则，本文所提供的任何和所有实例和示例性语言(例如，“比如”)仅仅旨在更好地阐明本发明，并不对本发明范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为表示对本发明的实践所必需的任何未要求保护的元素。
本文描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。阅读前面的说明书的基础上，这些优选实施例的变型对于本领域技术人员来说可能变得显而易见。本发明人期望本领域技术人员适当采用这些变型，并且发明人希望以不同于本文所描述的具体方式来实施本发明。因此，本发明包括如由适用法律所允许的所附权利要求书描述的主题的所有改型和等同物。此外，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则，本发明涵盖了本发明的所有可能的变型中的上述要素的任何组合。

Claims (16)

1.一种立式螺旋铁电液晶显示单元，包括：
两个透明基板；
铁电液晶层，其包括垂直取向的立式螺旋结构的铁电液晶，所述铁电液晶层设置在所述两个透明基板之间，所述铁电液晶具有垂直于所述两个透明基板的螺旋轴线和比入射到所述两个透明基板中的至少一个的偏振光的波长短的手性近晶液晶螺距；
叉指电极，其被设置为与所述两个透明基板共面，所述叉指电极配置为向所述铁电液晶层施加电场，所述电场提供的驱动电压低于螺旋解旋的临界电压；以及
取向层，其设置在所述两个透明基板中的至少一个上，所述取向层为所述铁电液晶提供所述垂直取向的立式螺旋结构。
2.根据权利要求1所述的立式螺旋铁电液晶显示单元，其中，所述两个透明基板包括玻璃或塑料。
3.根据权利要求1所述的立式螺旋铁电液晶显示单元，其中，所述叉指电极包括图形化的透明导电层。
4.根据权利要求1所述的立式螺旋铁电液晶显示单元，其中，所述取向层包括溶解在溶质中的硬脂酸盐铬。
5.根据权利要求1所述的立式螺旋铁电液晶显示单元，其中，所述驱动电压是使用有源驱动或无源驱动来提供的。
6.根据权利要求1所述的立式螺旋铁电液晶显示单元，其中，所述铁电液晶具有以当未施加所述驱动电压时无畸变的螺旋为特征的一个平衡态，同时，所述平衡态具有与沿所述螺旋轴线传播的光偏振无依赖的特点。
7.根据权利要求1所述的立式螺旋铁电液晶显示单元，其中，所述驱动电压的施加对如下这样的光提供连续的调制，所述光是无滞后的并且对所述驱动电压的极性不敏感。
8.根据权利要求1所述的立式螺旋铁电液晶显示单元，其中，所述铁电液晶层配置为基于所述手性近晶液晶螺旋节距来避免对沿着所述螺旋轴线通过的光的偏振态旋转、衍射和散射的影响。
9.根据权利要求1所述的立式螺旋铁电液晶显示单元，其中，所述叉指电极中的至少一个配置为施加平行于所述两个透明基板的水平电场。
10.根据权利要求1所述的立式螺旋铁电液晶显示单元，其中，所述驱动电压的频率在10Hz至5kHz的范围内。
11.根据权利要求1所述的立式螺旋铁电液晶显示单元，其中，所述铁电液晶显示单元配置为提供透射模式。
12.根据权利要求1所述的立式螺旋铁电液晶显示单元，其中，所述铁电液晶显示单元配置为提供反射模式。
13.一种场序彩色显示器，其包括立式螺旋铁电液晶显示单元，所述立式螺旋铁电液晶显示单元包括：
两个透明基板；
铁电液晶层，其包括垂直取向的立式螺旋结构的铁电液晶，所述铁电液晶层设置在所述两个透明基板之间，所述铁电液晶具有垂直于所述两个透明基板的螺旋轴线和比入射到所述两个透明基板中至少一个的偏振光的波长短的手性近晶液晶螺距；
叉指电极，其被设置为与所述两个透明基板共面，所述叉指电极配置为向所述铁电液晶层施加电场，所述电场提供的驱动电压低于螺旋解旋的临界电压；以及
取向层，其设置在所述两个透明基板中的至少一个上，所述取向层为所述铁电液晶提供所述垂直取向的立式螺旋结构，
其中，所述场序彩色显示器配置为通过整合快速切换的不同的色场中的图像来生成彩色图像。
14.根据权利要求13所述的场序彩色显示器，包括：
至少三个不同的色场。
15.根据权利要求13所述的场序彩色显示器，其中，所述场序彩色显示器配置为基于对所述不同的色场进行模拟驱动来生成光学灰度。
16.根据权利要求13所述的场序彩色显示器，其中，所述场序彩色显示器配置为基于对所述不同的色场进行数字驱动来生成光学灰度。
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