CN1826555A - 液晶装置 - Google Patents

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Abstract

一种液晶装置，包括液晶材料层，和提供在所述液晶材料层的一侧上的导体阵列，用于在其间产生电场以改变液晶材料层的像素部分的分子取向，其中液晶材料层的每个像素部分与相应的像素区域上分布的相应的导体组相关联，用于在比像素尺寸还小的距离之间施加电压，每个组内的所述导体及其间的间隔相对于液晶材料层的厚度来说足够得小，以便每个组可以用于产生电场，所述电场穿过液晶材料层厚度的至少一部分来感应不同的分子取向模式，所述模式在整个像素部分区域上基本上是均匀的。

Description

液晶装置
技术领域
本发明涉及液晶装置，尤其是包括独立可控像素阵列的液晶装置。
背景技术
现在的像素化液晶装置通常都包括使用导体来切换液晶材料层的像素部分的分子取向以便在液晶材料层的各个像素部分内产生电场。通过利用在液晶层任一测上提供的电极将电位差应用到液晶层上来产生这些电场，或者如图5中描述的平面内(in-plane)切换装置所示的那样，通过将液晶层的公共侧上的纵向导体对之间的电位差施加到在相应像素区域的相反边缘处的液晶层的公共侧来产生这些电场。
发明内容
本发明的发明人已经发现也可以通过利用分布在各个像素区域上的各个导体组切换像素部分来形成所述有用的平面内切换液晶装置。
因此，本发明提供一种液晶装置，其包括液晶材料层和提供在所述液晶材料层的一侧上的导体阵列，该导体阵列用于在其间产生电场以改变液晶材料层像素部分的分子取向，其中液晶材料层的每个像素部分与相应的像素区域上分布的相应的导体组相关联，该导体组用于在比像素尺寸还小的距离之间施加电压，每个组内的所述导体和之间的间隔相对于液晶材料层的厚度来说足够得小，以便每个组都能用于产生电场，所述电场穿过液晶材料层厚度的至少一部分来感应不同的分子取向模式，所述模式在各个像素部分的整个区域上基本上是均匀的。
本发明还提供一种液晶装置，其包括液晶材料层和提供在所述液晶材料层的一侧上的导体阵列，该导体阵列用于在其间产生电场以改变液晶材料层像素部分的分子取向，其中液晶材料层的每个像素部分都与相应的像素区域上分布的相应的导体组相关联，该导体组用于在比像素尺寸还小的距离之间施加电压，所述液晶材料层的厚度比每个组内的导体间距大至少5倍。
在一个实施例中，所述液晶是响应于导体上施加的电压的RMS(均方根)的类型，也就是说对导体上施加的电压极性不敏感。上述液晶的一个例子是向列相，其中液晶根据感应偶极子来切换取向。
在一个实施例中，在液晶层的另一侧提供一个透明的、导电的对电极，其保持在恒定电压上。
在一个实施例中，导体具有比装置使用的光波长更短的间距。
例如，每组导体都可以包括平行的纵向导体，例如由一对交叉电极的手指(digit)提供的那些导体，或者例如是分开的导体的二维阵列。
本发明还提供一种包含根据本发明的液晶装置的显示系统和光切换系统。
根据本发明的另一方面，提供一种在所述液晶材料层的一侧包含有至少一对交叉电极的液晶显示装置，其中手指的宽度和手指之间的间隔相对于液晶材料层的厚度来说足够得小，以便产生电场，所述电场穿过液晶材料层厚度的至少一部分来感应不同的分子取向模式，所述模式在手指和手指之间的间距上基本上都是均匀的。
根据本发明的另一方面，提供一种在所述液晶层的一侧上包含有至少一对在X方向上间隔配列的导体的液晶显示装置，其中所述导体之间的间隔相对于液晶材料层的厚度来说足够得小，以便产生电场，所述电场穿过液晶材料层厚度的至少一部分来感应不同的分子取向模式，所述模式在直接在电极之间的区域和该区域在Y方向上的延伸上基本上都是均匀的。
附图说明
下面将参照附图，仅通过举例来详细描述本发明的实施例，其中：
图1表示的是根据本发明的一个实施例的装置的构成图；
图2表示的是图1的装置中使用的导体的详细配置；
图3表示的是可以使用图1和图2所示的导体结构产生的分子取向的变化；
图4表示的是图1中的装置的另一种导体配置；
图5表示的是传统的平面内切换液晶装置的截面图；
图6表示的是两个平面未扭转阵列之间的切换；以及
图7表示的是一个平面未扭转阵列和一个平面扭转阵列之间的切换。
具体实施方式
本发明的第一实施例是一个在硅VLSI芯片上具有液晶层的LCOS(硅上液晶)装置。这种装置以反射方式正常操作，并且所述液晶层修改入射光束的极化状态或相位。液晶层中产生的电场导致其光学特性的改变，所以，在显示装置的例子中，可以将图像写入大的像素阵列。液晶层的厚度一般由像素的光学功能来固定并与所使用的光波长有关。例如，可以选择给出1/4、1/2或一个整波长的延迟。对于LCOS显示器(可见光)或用于以反射方式操作(如通常LCOS装置)的通信应用(接近红外光)的LCOS装置来说，液晶层的厚度一般是在1-5微米的范围内。
图1表示的是根据本发明第一实施例的LCOS装置，其包括在上层部分4上形成有CMOS电路的硅芯片2，可操作地与下面的CMOS电路耦合的表面导体组6，用于在液晶材料8的上层的各个部分内产生电场。在所述液晶材料层的另一侧上设置有透明的可导电的覆盖(blanket)层10，其作为所有导体组的“对电极”。在所述装置的操作中，该“对电极”保持在恒定电压上。例如，可以是接地的。图2表示的是图1中各平面导体组配置的平面图。如图2所示，每个导体组都包括有各个交叉电极对的手指。液晶厚度与上面所述被使用的光的波长有关。为此，这里使用的微电极的结构比传统像素小得多，并且所述微电极可具有比所使用的光波长还要小的间距。
读者会理解，所述液晶装置通常都包括许多比图1中为示意性目的而表示的3个像素多很多的二维阵列。
图3表示的是取向类型，通过使用图1和图2中所示的导体配置将向列液晶从垂直(homeotropic)分子取向切换到所述取向类型上。就图3来说，所述导体具有0.25微米的宽度和0.5微米的间隔，并且所述液晶材料层厚度是5微米。可用尺寸小到0.1微米级的深亚微米硅CMOS电路结构来光刻性地限定一些特征。
在图3中，纵轴是以微米为单位的液晶厚度。在z＝-5微米处分别对交替导体6(图3中未示出)施加+3.2伏和-3.2伏的电压，在z＝0微米处对液晶材料层的另一面上的“对电极”(图3中未示出)施加0V电压，紧邻着z＝0处，所述液晶呈现出保持垂直平面配列。
在图3中，穿过液晶材料层厚度的主要部分(大概整个5微米中的3.5微米厚)的分子取向模式在导体及其间隔上的X方向上是均匀的。对于所述液晶层厚度的主要部分来说，由交叉电极结构沿着表面施加的电场而感应出的各相异性在距离上积分，所述距离是导体结构间距长度的至少几倍。出现这种情况是因为存在一个表征液晶相位的取向顺序相关联的相关距离。这种情况的结果是如果所述液晶在其整个厚度上采用均匀配列的结构，液晶中存储的弹性应变能量就被最小化。
图3是计算机模拟的结果，其中液晶中存储的弹性应变能量被最小化。其建立在向列液晶连续理论的假设基础上，当实现这种均匀结构时确实会出现最小化的自由能量。
当消除电场时，液晶材料的分子取向又恢复到垂直配列。这种液晶导向器(director)的取向的切换用在例如显示装置和光学元件的多级幅度和相位切换中。
例如利用合适的表面活性材料，利用合适的聚合材料，如聚酰亚胺材料，或者通过在界定液晶材料层的表面上例如SiO2的蒸镀薄膜，可以实现在施加任何电场前存在的初始垂直配列。
每个导体组都包括多于两个的平行纵向导体，所述导体延伸正好跨过各个像素区域的y方向，用于在x方向上短于半个像素的距离上施加电压。每个组内导体间相对小的间隔意味着对于给定电压来说可产生相对大的电场，或者相反，需要相对小的电压来产生给定强度的电场。
也可以使用相同类型的导体结构在其他类型的取向配列之间进行切换。一个例子是在正交平面配列之间进行切换，如图6所示。详细来说，可以使具有正介电各向异性的向列液晶从其方位角平行于交叉电极的手指的第一平面未扭转阵列切换到其中n导向器方位角切换了90度的第二平面阵列。其它的例子是在扭转和未扭转平面状态之间进行切换，如图7所示，以及在两个具有90度扭转差的扭转状态之间进行切换。
可将每个导体组配置和排列成与图2不同的形式。例如，每个导体组可包括一个在像素区域上规则分布的统一尺寸导体的二维阵列，如图4所示。可以通过例如电容性地耦合到下层电路给每个导体施加合适的电压。使用这样的导体配列，可以通过改变给导体施加电压的模式来产生不同的电场模式。
申请人注重这样一个事实，在不限制上面所述的定义范围的前提下，本发明可以包括这里直接公开或隐含公开的任何特征或特征组合或者任何推理产物。对于上面的描述，可以在本发明的范围内做出各种修改，这对本领域技术人员来说是清楚的。

Claims (12)

1、一种液晶装置，包括液晶材料层和提供所述液晶材料层的一侧上的导体阵列，该导体阵列用于在其间产生电场，以改变所述液晶材料层的像素部分的分子取向，其中所述液晶材料层的每个像素部分与在相应的像素区域上分布的相应的导体组相关联，所述导体组用于在比像素尺寸小的距离之间施加电压，其中所述每组内的导体和其间的间隔相对于液晶材料层的厚度来说足够得小，以便每个组都可用于产生电场，所述电场穿过液晶材料层厚度的至少一部分来感应不同的分子取向模式，所述模式在各个像素部分的整个区域上基本上是均匀的。
2、一种液晶装置，包括液晶材料层和提供在所述液晶材料层的一侧上的导体阵列，该导体阵列用于在其间产生电场，以改变液晶材料层的像素部分的分子取向，其中所述液晶材料层的每个像素部分与在相应的像素区域上分布的相应的导体组相关联，所述导体组用于在比像素尺寸还小的距离之间施加电压，其中所述液晶材料层的厚度比每个组内的导体间距大至少5倍。
3、如权利要求1或2所述的液晶装置，其中每个导体组都包括平行的纵向导体阵列。
4、如权利要求3所述的液晶装置，其中所述导体包括一对交叉电极的手指。
5、如权利要求1或2所述的液晶装置，其中每个导体组都是分开的导体的二维阵列。
6、一种包括任何前述权利要求所述的液晶装置的显示系统。
7、一种包括权利要求1-5中任一项所述的液晶装置的光切换系统。
8、一种控制任何前述权利要求的装置的液晶材料层的像素部分的光学特性的方法，所述方法包括：在相关联的组内的导体上施加电压以便在所述液晶材料层的像素部分内产生电场，所述电场穿过液晶材料层厚度的至少一部分来感应不同的分子取向模式，所述模式在像素部分的整个区域上基本上是均匀的。
9、一种液晶显示装置，在所述液晶材料层的一侧包含有至少一对交叉电极，其中手指的宽度和手指之间的间隔相对于液晶材料层的厚度来说足够得小，以便产生电场，所述电场通过液晶材料层厚度的至少一部分来感应不同的分子取向模式，所述模式在手指和手指之间的间隔上基本上都是均匀的。
10、一种操作权利要求9所述的液晶显示装置的方法，包括以下步骤：在所述电极上施加电位差以便在所述液晶材料层内产生电场，所述电场穿过液晶材料层厚度的至少一部分来感应不同的分子取向模式，所述模式在手指和手指之间的间隔上基本上都是均匀的。
11、一种液晶显示装置，在所述液晶层的一侧上包含有至少一对在X方向上间隔排列的导体，其中所述导体之间的间隔相对于液晶材料层的厚度来说足够得小，以便产生电场，所述电场穿过液晶材料层厚度的至少一部分来感应不同的分子取向模式，所述模式在直接在电极之间的区域和该区域在Y方向上的延伸上基本上都是均匀的。
12、一种操作权利要求11所述的液晶显示装置的方法，包括以下步骤：在所述导体上施加电位差以便在所述液晶材料层内产生电场，所述电场穿过液晶材料层厚度的至少一部分来感应不同的分子取向模式，所述模式在直接在电极之间的区域和该区域在Y方向上的延伸上基本上都是均匀的。
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