DE2119832A1

DE2119832A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung matrixfbrmig adressierbarer flüssigkristalliner Lichtventilanordnungen

Info

Publication number: DE2119832A1
Application number: DE19712119832
Authority: DE
Inventors: Peter U. Dipl.-Ing. Zürich; Wild Peter J. Dipl.-Ing. Wettingen; Schulthess (Schweiz). MP
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1971-03-30
Filing date: 1971-04-23
Publication date: 1972-10-12
Also published as: GB1381794A; NL7204124A; FR2132164A1; US4082430A; JPS5724558B1; DE2119832C3; FR2132164B1; DE2119832B2; CH529421A; AT318024B

Description

48/71 He

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Schaltungsanordnung zur Ansteuerung matrixförmig ad/ressierbarer flüssigkristalliner Lichtventilanordnungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung matrixförmig addressierbarer flüssigkritalliner Lichtventilanordnungen, bei denen Matrixelemente durch Anlegen von Addressiersignalen in Form von elektrischen Spannungen zwischen mindestens eine Zeilen- bzw. Spaltenelektrode und eine Spalten- bzw. Zeilenelektrode ansteuerbar sind. ■

Lichtventilanordnungen der genannten Art sind beispielsweise aus der U.S. Patentschrift 3, 322, 485 bekannt. Das Lichtventil besteht im wesentlichen aus zwei parallel zueinander angeordneten Trägerplatten aus Glas, welche mit einer Vielzahl paralleler streifenförmiger Elektroden versehen sind,

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zwischen denen sich ein nematischer Flüssigkristall befindet. Die Elektroden der einen Trägerplatte sind senkrecht zu den Elektroden der anderen Trägerplatte angeordnet und bilden auf diese Weise Zeilen und Spalten einer Matrix.

Legt man zwischen eine beliebige Zeilen- und eine beliebige Spaltenelektrode eine genügend hohe elektrische Spannung an, ^ so ändern sich die optischen Eigenschaften der Flüssigkri-Stallschicht in dem Bereich zwischen den Trägerplatten, wo sich die mit Spannung beaufschlagten Elektroden gegenüber liegen. Auf diese Weise kann jedes Matrixelement durch Anlegen einer Spannung zwisehen die entsprechenden Spalten- und Zeilenelektroden optisch angesteuert werden.

Diese Ansteuerung (Addressierung) ist jedoch mit den derzeit verfügbaren Flüssigkristall-Substanzen nicht eindeutig, da sich das optisch angesteuerte Matrixelement nicht genügend von den übrigen benachbarten Elementen abhebt.

Zur Erläuterung dieses Mangels sei die in Fig. 1 dargestellte Abhängigkeit zwischen Lichtintensität I (Ordinate) und angelegter Spannung U (Abszisse) betrachtet. Dem Diagramm ist dabei ein typischer Verlauf von Intensität und Spannung zugrunde gelegt, wie ihn handelsübliche nematische Flüssigkristalle aufweisen. Bei kleinen Spannungen U^ UV, verläuft die Kurve waagerecht zur Abszisse und steigt dann ab U-, dem Schwellen-

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lenwert für die Aenderung der optischen Eigenschaften des Flüssigkristalls allmählich an. Bei Spannungen UStU₀ verlangsamt sich die Intensitätszunahme wesentlich. Das Spannungsintervall von U„ bis U ist in der Praxis wesentlich grööser als das Intervall von U=O bis U„. Das Verhältnis der Lichtintensität I zur Intensität I ist ein Mass für

den erzielbaren Kontrast.

Legt man nun zwischen eine Zeilenelektrode und Masse eine Spannung U„ und zwischen eine Spaltenelektrode und Masse eine Spannung U_v - die übrigen Elektroden seien alle mit Masse verbunden - so ist bei entsprechender Wahl von U_Y und U_v die Potentialdifferenz U_vv zwischen den beiden Elektroden im Koinzidenzpunkt, dem Matrixelement, grosser als der Schwellenwert U_T des Flüssigkristalls. Das betreffende Matrixelement ist optisch angesteuert und weist beispielsweise gegenüber benachbarten Matrixelementen eine höhere Lichtstreuung oder Depolarisation auf. Dieser Unterschied in den optischen Eigenschaften ist jedoch relativ gering, da die genannte Potentialdifferenz U_YV kleiner ist als die

Al

Spannung U , die zur optimalen Ansteuerung des Matrixele-S

mentes nötig wäre.

Eine Erhöhung der Spannungen Uy. und/oder U„ (dem Betrage nach) an Spalten- und Zeilenelektroden über den Schwellenwert U_T hinaus bringt ebenfalls keine Verbesserung. Zwar

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würden gegebenenfalls das Koinzidenz-Matrixelement voll, die ihm benachbarten Matrixelemente jedoch teilweise angesteuert werden, so dass der Kontrast wiederum gering wäre.

Es sind matrixförmig addressierbare Lichtventilanordnungen bekannt geworden (Liquid Crystal Matrix Displays, I969 IEEE ISSCC, S.52), bei denen jedem Matrixelement ihm zugeordnete Schaltungsmittel vorgesehen sind, um die vorgenannten Unzulänglichkeiten zu umgehen. Derartige Lichtventilanordnungen sind jedoch sehr kompliziert und aufwendig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung matrixförmig adoressierbarer flüssigkristalliner Lichtventilanordnungen anzugeben, die die Mangel und Unzulänglichkeiten bekannter Anordnungen nicht aufweist, die sich durch einfachen Aufbau auszeichnet und mit deren Hilfe eine bedeutende Kontrastverbesserung erreicht werden kann.

Die vorstehende Aufgabe wird bei einer Lichtventilanordnung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Adpressiersignalquellen solche Kenndaten und Schaltmittel aufweisen, dass zwischen Zeilen- und Spaltenelektroden der anzusteuernden Matrixelemente die Gleichoder Niederfrequenzkomponenten der Addressiersignale mit Potentialdifferenzen grosser als der Schwellenwert für die Aenderung der optischen Eigenschaften des Flüssigkristalls

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sowie gegebenenfalls eine Hochfrequenzkomponente, welche keinen nennenswerten Einfluss auf die genannte Aenderung ausübt, wirksam sind und dass in allen übrigen Matrixelementen entweder Gleich- oder Niederfrequenzkomponenten der Ad/ressiersignale mit einer Potentialdifferenz kleiner als der genannte Schwellenwert oder sowohl Gleichoder Niederfrequenzkomponenten der Addressiersignale grosser als der besagte Schwellenwert als auch eine Hochfrequenz-Spannung wirksam sind.

Üie Erfindung bedient sich dabei der Tatsache, dass der nematischen Flüssigkristallen eigene Effekt - in folgenden mit DS-Effekt bezeichnet, beispielsweise die dynamische Streuung (dynamic scattering), Bildung von Williams-Domänen oder anderen in Frage kommenden hydrodynamischen Instabilitäten, frequenzabhängig ist. Bei einer vorgegebenen konstanten Amplitude einer reinen Wechselspannung verschwindet der DS-Effekt bei einer bestimmten Grenzfrequenz. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches der Schwellenwert für das Eintreten des DS-Effektes mit steigender Frequenz zunimmt. Nähere Einzelheiten hierzu finden sich in Phys. Rev. Letters , No. 24, 1642 (1970).

Besondere Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten

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Ausführungsbeispielen von Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung von matrixförmig addressierbaren flüssigkristallinen Lichtventilanordnungen in Verbindung mit deren Beschreibung erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein erstes Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit zwischen Lichtintensität und der an der flüssigkristallinen "Schicht anliegenden Gleichspannung,

Fig. 2 ein zweites Diagramm, in dem die erzielbare Lichtintensität in Abhängigkeit von der Frequenz der an der flüssigkristallinen Schicht anliegenden Spannung dargestellt ist,

Fig. 5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Lichtventilanordnung,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lichtventilanordnung als Abwandlung der in Fig. J5 dargestellten Anordnung,

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Lichtventilanordnung gemäss der Erfindung, die sich hinsichtlich der Ansteuerung von den oben genannten Ausführungsformen unterscheidet,

Fig. 6 eine Abwandlung der Anordnung gemäss Fig. 5,

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Fig. 7 sin weiteres Ausführungsbeispiel einer Lichtventilanordnung gemäss der Erfindung, in dem eine vorteilhafte Möglichkeit zur Erzeugung von Ad^ressiersignalen realisiert ist,

Fig. 8 ein erstes Spannung-Zeit-Diagramm für sinusförmige Signale zur Erläuterung der Ad/ressiersignal-Erzeugung in der in Fig. 7 dargestellten Anordnung,

Fig. 9 ein Spannung-Zeit-Diagramm für rechteckförmige Signale,

Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung zur zeilenmässigen Ansteuerung von Lichtventilanordnungen,

Fig. 11 eine Abwandlung der in Fig. 10 dargestellten Anordnung, in der zusätzliche Schaltmittel zur Erhöhung der Lebensdauer der Lichtventilanordnung vorgesehen sind,

Fig. 12 eine weitere Abwandlung der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 10, in der eine Möglichkeit zur individuellen Einstellung der Graustufen der angesteuerten Matrixelemente angegeben ist,

Fig. 15 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur temporären Speicherung von Bildinformationen, die sich vorteilhaft in Verbindung mit den oben aufgeführten Ausführungsbeispielen von Lichtventilanordnungen anwenden lässt.

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Bevor Ausführungsbeispiele von erfindungsgemässen Lichtventilanordnungen beschrieben werden, sollen zunächst die der Erfindung zugrunde liegenden physikalischen Grundlagen einer näheren Betrachtung unterzogen werden.

Bei reiner Wechselspannungserregung einer sich zwischen zwei mit Elektrodejn-^ersehenen Trägerplatten befindlichen flüssigkristallinen Schicht ergibt sich eine beispielsweise in dem Diagramm der Fig. 2, Kurve A, dargestellte Frequenzabhängigkeit des DS-Effektes, wenn konstante Amplitude der an-

I
gelegten Wechselspannung vorausgesetzt wird. Bei reiner Gleichspannungserregung ergibt sich selbstverständlich keine Frequenzabhängigkeit (in Fig. 2 durch Kurve B symbolisiert).

Ganz andres liegen, jedoch die Verhältnisse, wenn dem Wechsel spannungs signal eine Gleichspannungskomponente überlagert ist. Der typische Verlauf der Frequenzabhängigkeit eines so beschaffenen Siganls ist in Fig. 2, Kurve C, beispielsweise dargestellt. Man erkennt, dass bei niedrigen Frequenzen die Gleichspannungskomponente den durch die Wechselspannungskomponente hervorgerufenen DS-Effekt unterstützt. Die totale Lichtintensität I ist grosser als die durch die einzelnen Komponenten hervorgerufenen Lichtintensitäten. Oberhalb der Grenzfrequenz f bewirkt die Wechselspannungskomponente allein keinen makroskopisch feststellbaren DS-Effekt. Werden Gleich- und Wechselspannungskomponente in ge-

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eignetem Verhältnis (z.B. V_ : V =1:3) kombiniert, so erreicht bei zunehmender Frequenz der DS-Effekt ein Minimum.

Ueberschreitet der Gleichspannungsanteil den (Gleichspannungs-) Schwellenwert des Flüssigkristalls für den DS-Effekt nicht über ein durch die Flüssigkristall-Substanz bestimmtes Mass, so kann bei einer unteren Kompensationsfr^uea2L,4f . in dem Diagramm der Fig. 2) vollständige Unterdrückung des DS-Effektes bei Anliegen eines kombinierten Gleichspannungs- Wechselspannungssignals erreicht werden. In diesem Fall ist in einem Frequenzbereich f , bis f ~ (Pig· 2) bei visueller Beobachtung keine den Ruhezustand der Anzeigeanordnung verändernde optische Wirkung feststellbar.

Bei einer oberen Grenzfrequenz (f_e2 ⁱⁿ Fig· 2) setzt wieder ein merklicher DS-Effekt ein, wobei dieser mit zunehmender Frequenz sehr langsam ansteigt und bei sehr hohen Frequenzen den durch die Gleichspannungskomponente allein definierten Wert (Kurve B in Fig. 2) asymptotisch erreicht.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass bei geeigneter Wahl der Frequenz der WechseIspannungskomponente und des Verhältnisses der Amplituden von Gleich- und Wechselspannungskomponenten der durch die Gleichspannungskomponente hervorgerufene DS-Effekt unterdrückt werden kann.

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Legt man also kombinierte Signale der oben definierten Art an je eine Zeilen- und eine Spaltenelektrode einer Lichtventilanordnung der eingangs genannten Art, so werden alle diesen Elektroden zugeordneten Matrixelemente mit Ausnahme des Koinzidenzelementes keinen DS-Effekt zeigen. Die Ursache für dieses Verhalten der Anordnung ist darin zu sehen, dass im Koinzidenzelement eine konstante, nur durch die fe GIeichspannungskomponenten bestimmte Potentialdifferenz ^wischen Zeilen- und Spaltenelektrode herrscht, während in aen übrigen Matrixelementen Potentialdifferenzen wirken, die sich aus Gleich- und Wechselspannungskomponenten zusammensetzen.

Wie aus dem Diagramm der Fig. 2 weiterhin hervorgeht, ist der DS-Effekt in dem Bereich zwischen f = 0 (Gleichspannung) und f = f_u nahezu frequenzunabhängig. Die Frequenz f liegt " bei bekannten Flüssigkristall-Substanzen beispielsweise zwisehen 30 und 60 Hz. Damit ergibt sich die Möglichkeit, nicht nur Gleich- und Wechselspannungssignale zu überlagern, sondern auch niederfrequente Wechselspannungssignale mit einer Frequenz bis etwa 60 Hz mit hochfrequenten Signalen zu kombinieren, ohne dass sich am erzielbaren Effekt etwas ändert.

In der Schaltungsanordnung der Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiels einer Lichtventilanordnung dargestellt. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht

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wesentlichen Einzelheiten, sofern sie konstruktiver Natur sind, sind dabei fortgelassen worden, um die Darstellung übersichtlich zu gestalten. Ins Einzelne gehende Beschreibungen von Lichtventilanordnungen finden sich in zahlreichen einschlägigen Veröffentlichungen und sind zum Stande der Technik zu zählen (vgl. beispielsweise die in der Einleitung genannte U.S. Patentschrift^.

Die obigen Bemrkungen treffen ebenso auf die nachstehnd beschriebenen weiteren Ausführungsbeipiele der Fig. 4 bis J₁ 10 bis 12_/ zu.

In Fig. 3 ist die eigentliche Matrix durch Zeilenelektroden E^. (i = 1,2,..) und Spaltenelektroden Ε_γ, (k = 1,2,..) gebildet, von denen die Elektroden Ε_χ,, Ε_χ2 und Ε_χ, sowie Ey-,, Ε_γ2 und Ε_γ, dargestellt sind. Die Elektroden sind auf nicht dargestellten Trägerplatten, beispielsweise aus Glas, aufgebracht und stehen sich im Abstand von beispielsweise 5 bis 50 yum gegenüber. Im Raum zwischen den Elektroden befindet sich eine flüssigkristalline Schicht, beispielsweise "Nematic Liquid Crystal" der Fa. Liquid Crystal Industries, Turtle Creek, PA (USA).

Jede Spalten- und Zeilenelektrode ist beispielsweise beidseitig mit Anschlusselektroden E, E¹ versehen, die je über einen Widerstand R mit der einen Klemme einer Hochfrequenz-

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quelle CL.- verbunden sind. Die Anschlusselektroden E' sind jeweils an Schalter S^, S_yic (i,k = 1,2,3) geführt. Mittels der genannten Schalter lassen sich jeweils eine Zeilenelektrode mit einer ersten Batterie B_v bzw. jeweils eine Spaltenelektrode mit einer zweiten Batterie Β_γ verbinden. Die Batterien sind entgegengesetzt gepolt. So liegt beispielsweise der Pluspol der Batterie Β_γ und der Minuspol der Batterie Β_χ an Masse. Jedoch können die Batterien auch umgekehrt gepolt sein.

Werden die Schalter S„₂ und S_Y2 betätigt, so stellt sich im Matrixelement (2,2), dem Koinzidenzpunkt der Elektroden E^₂ und Ε_γ2 eine konstante Potentialdifferenz υ_χγ = Uy-Uy ein. Aufgrund der ebenfalls an allen Elektroden anliegenden Hochfrequenzspannung U_u„ liegen beide Elektroden E_vo und E,._o

xil Ad Id

gleichzeitig auf einem Hochfrequenzpotential U^_x,, gegen Masse.

XlI

Die dem Matrixelement (2,2) unmittelbar benachbarten Elemente (1,2), (2,1), (3,2), (2,3) werden optisch nicht angesteuert, da die entsprechenden Elektroden auf Gleichspannungspotential U^ bzw. Uy und auf Hochfrequenzpotential U liegen. Durch diese erfindungsgemässe Ansteuerung stellen sich die im vorstehenden Abschnitt im Zusammenhang mit Fig. 2 geschilderten Effekte ein: die Gleichspannungskomponente wird durch das ihr überlagerte Hochfrequenz unterdrückt.

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Ersetzt man in der Anordnung nach Fig. 3 die Batterien Β_χ und By durch eine Niederfrequenz-Spannungsquelle Q_Nf und eine Phasenumkehrstufe PH - dies ist in Pig. 3 beispielsweise eingetragen, wobei die Verbindungsleitungen zur Matrix strichliert ausgeführt sind - so erfüllt die Lichtventilanordnung die gleichen Funktionen wie eine mit Gleichspannungen betriebene. Den Zeilenelektroden wird eine gegenüber den Spaltenelektroden gegenphasige Niederfrequenz-Spannung zugeführt. Auf diese Weise wirkt im Koinzidenzelement nur eine reien Niederfrequenz-Potentialdifferenz, i
die bei genügend grosser Amplitude den DS-Effekt hervorruft.

Die Frequenz der Ausgangsspannung IL₁^ der Hochfrequenzquelle

ril

Q_Ui, ist von der gewählten FlUssigkristall-Substanz abhängig ril

und beträgt beispielsweise für den genannten "Nematic Liquid Crystal" 1000 bis 1200 Hz mit einer optimalen Amplitude von 70 Volt. Hochfrequenzsignale dieser Art sind zur Unterdrükkung der optischen Wirkungen von Gleichspannungen bis maximal 20 Volt geeignet.

Die Grosse der Batteriespannungen U_v und U_v richten sich nach dem Schwellenwert UL der gewählten Flüssigkristall-Substanz. Bei einem Schwellenwert von UL = 6 Volt betragen diese beispielsweise UL = UL = 20 Volt, so dass im Koinzidenzelement eine Potentialdifferenz in Höhe von 40 Volt wirksam ist. Da nun erfindungsgemäss die "halbangesteuerten¹¹ Matrixelemente sich optisch nicht von den nichtangesteuerten Elementen un-

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terscheiden, erbigt sich auf diese Weise ein sehr guter Kontrast (vgl. Diagramm in Fig. 1).

In einer praktischen Realisierung der oben beschriebenen Lichtventilanordnung können die Schalter S_Y. und S. als Relais ausgeführt werden. Ebenso eignen sieh bipolare elektronische Schalter wie beispielsweise Feldeffekttransistoranordnungen etc. für diesen Zweck.

i
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin- !
dungsgemässen Lichtventilanordnung, das eine Abwandlung von Fig. 3 darstellt. Dieses unterscheidet sich von der Anordnung gemäss Fig. 3 durch die andersartige Beschaltung der Elektroden. Die Schalter S_v. und S_VI sind durch Umschalter S' bzw. S* ersetzt, die eine wahlweise Verbindung der Batterien B_Y und B_v einerseits, und der Hochfre-

•Λ. χ

quenzquelle Q_Hf andererseits mit den Zeilen- bzw. Spaltenelektroden erlauben.

Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. j5 können auch hier die Batterien Β_χ und B„ durch eine Niederfrequenzquelle Q „ mit nachgeschalteter Phasenumkehrstufe PH ersetzt werden.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist eine weitere Realisierung der Erfindung dargestellt. Hier erfolgt die An-

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kopplung der.Hochfrequenzquelle Q^ auf eine andere Weise. Der Minuspol der Batterie Β_χ bzw. der Pluspol der Batterie Βγ sind nicht mehr mit Masse verbunden, sondern an die eine Klemme der Hochfrequenzklemme Q_Hf> geführt, deren andere Klemme an Masse geschaltet ist. Die Widerstände R sind direkt mit Masse verbunden. Ansonsten entsprechen der übrige Aufbau und die Wirkungsweise dieser Lichtventilanordnung der in Fig. 3 dargestellten Anordnung.

Aehnlieh wie im Falle der Anordnung der Fig. 4 lassen sich auch bei der oben genannten Lichtventilanordnung die Schalter S„. und S . durch Umschalter S' bzw. S' ersetzen. Diese Variante ist in Fig. 6 beispielsweise dargestellt.

Eine weitere Ausführungsform einer Lichtventilanordnung gemäss der Erfindung ist in Fig. 7 beispielsweise dargestellt. In diesem Beispiel werden keine getrennten Gleich- oder Niederfrequenzquellen und eine Hochfrequenzquelle benötigt. Aus einer von einer Wechselspannungsquelle Q' erzeugten Wech-

XlX

selspannung ohne Gleichspannungsanteil (Diagramm a in Fig. bzw. 9) v/erden durch ein aus zwei Dioden D, und D_p sowie zwei Widerständen R, und Rp bestehendes Netzwerk zwei mit einem Gleichspannungsanteil und einem Wechselspannungsanteil behaftete gegenphasige Spannungen U' _f bzw. U' _f erzeugt (Diagramme b und c in Fig. 8 und Fig. 9). Diese Spannungen werden über Schalter S„. bzw. S„. den Zeilen- bzw. Spaltenelektroden

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zugeführt. Alle Spalten- und Zeilenelektroden sind über je einen Widerstand R mit Masse verbunden, liegen somit im nichtangesteuerten Zustand auf Massepotential. Auf diese Weise werden den Matrixelementen,.die den angesteuerten E-lektroden zugeordnet sind, mit Ausnahme des Koinzidenzelementes (Matrixelement (2,2) in Fig.7) Spannungen zugeführt, die bei geeigneter Wahl der Amplitude A von der Spannung U' und deren Frequenz f' keinen DS-Effekt hervorrufen.

ill ril

Die Potentialdifferenz U' im Koinzidenzelement (2,2) ergibt sich durch die Differenz der Spannungen υΛ_ΤΙί, und U'„„ (Dia-

AnI YnI gramme d in Fig. 8 und 9). Diese Differenzspannung U'yy hat

relativ hohen Gleichspannungsanteil im Falle einer sinusförmigen Wechselspannung ϋΛ~ bzw. ist eine reine Gleichspannung im Falle einer rechteckförmigen Wechselspannung mit beliebigem Tastverhältnis - ideale Aufspaltung im genannten Netzwerk vorausgesetzt.

Mit den nachstehend aufgeführten Bedingungen wurde in einer Realisierung einer Lichtventilanordnung gemäss Fig. 7 sichere und eindeutige Addressierung eines beliebigen Matrixelementes erreicht:

Substanz: Nematic Liquid Crystal (0/70) der Fa. Liquid Crystal Industries, Turtle Creek, PA (USA)

Schichtdicke des
Flüssigkristalls: 12 ,um

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Niederohmige Zinndioxid-Elektroden

Amplitude A_Q von U^_f: 30 Volt

Frequenz f* : 500 Hz bis 1 100 Hz (entspricht, dem Bereich T₁ bis f ₂ in Fig.2)

Der Gleichspannungsanteil der den Spalten- bzw. Zeilenelek-. troden zugeführten Spannungen ergibt im Koinzidenzelement eine wirksame Potentialdifferenz U' , deren Gleichsapnnungskomponente etwa 20 Volt ausmacht, wenn das Wechselsapnnungs-

signal UJL· sinusförmig ist.

Bein Betrieb mit einer Rechteckspannung (Fig. 9> Diagramm a) ist im Koinzidenzelement bei idealen Rechteckspannungen (Diaramme b und c in Fig. 9) eine reine Gleichspannung (Diagramm d in Fig. 9) wirksam. Messungen an der gleichen Lichtventilanordnung wie oben beschrieben, ergaben bei einem Tastverhältnis von 1 : 1 und einer Amplitude A =20 Volt guten Kontrast. Der Frequenzbereich für gute Unterdrückung in den "halb angesteuerten" Matrixelementen war vergleichbar mit dem oben Genannten.

Die Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung lässt sich mit Vorteil auch zur gleichzeitigen optischen Ansteuerung eines oder mehrerer Matrixelemente einer Zeile oder einer Spalte einsetzten.

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Ein Ausführungsbeispiel für zeilenmässige Ansteuerung ist in Fig. 10 dargestellt. Wie in den vorstehenden Anordnungen besteht die Matrix aus Zei^len- und Spaltenelektroden, von denen die Zeilenelektroden Ε_χ-, bis Ε_χ, sowie die Spaltenelektroden Ε_γ, bis E„/- eingezeichnet sind. Die Zeilenelektroden sind je über Umschalter sL. wahlweise mit einer Hoch-

-Λ.1

frequenzquelle Q_H„ bzw. mit einer Batterie B-. verbindbar. Die Spaltenelektroden können mittels der Umschalter S' mit der genannten Batterie B, oder mit einer weiteren Batterie B₂ verbunden werden. Die Batteriespannungen Ug₁ und U_B2 betragen bei einer Schwellwertspannung U_T = 6 Volt des Flüssigkristalls beispielsweise - 15 Volt bzw. + 15 Volt (beide Spannungen auf Masse bezogen). Die Amplitude der von der Hochfrequenzquelle Q_Hi> erzeugten Hochfrequenz spannung \S ist beispielsweise A = 60 Volt.

In der Anordnung der Fig. 10 sind beispielsweise die Matrixelemente (2,3), (2,5) und (2,6) optisch angesteuert. Der Schalter S' legt die Zeilenelektrode E₂ auf ein Potential von - 15 Volt gegen Masse, die, Spaltenelektroden E^, E und E £ sind mittels der ihnen zugeordneten Schalter auf ein Potential von + 15 Volt gegen Masse gelegt. An den nicht angesteuerten Matrixelementen der zweiten Zeile liegen keine Potentialdifferenzen an, an den übrigen Matrixelementen liegen kombinierte Addressiersig^nale der eingangs definierten Art an. Auf diese Weise ist nur in den gewünschten Matrixelementen - sie sind durch Schraffierung gekennzeichnet -

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eine Potentialdifferenz von 30 Volt wirksam, die den DS-Effekt hervorruft und eine Aenderung der optischen Eigenschaften der flüssigkristallinen Schicht bewirkt.

Selbstverständlich können in der Anordnung der Fig. 10 die Zeilen- mit den Spaltenelektroden vertauscht werden (nicht eingezeichnet). Auch ist es möglich, nur jeweils ein einziges Matrixelement einer Zeile oder einer Spalte optisch anzusteuern. Gegenüber den vorbeschriebenen Ausführungsformen

j
weist diese Art der Ansteuerung den Vorteil auf, dass nur noch die Hälfte der Schalter für Hochfrequenzspannungen grosser Amplitude ausgelegt werden muss. Diese Tatsache wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn die Schaltelemente als elektronische Schalter ausgebildet werden.

Weiterhin ist es möglich, ähnlich wie in den bisher beschriebenen Anordnungen, die Batterien B, und B₂ durch Wechselspannungsquellen zu ersetzen, die gegenphasige Niederfrequenzsignale liefern. Besonders vorteilhaft ist es, nur eine Wechselspannungsquelle Q„„ vorzusehen, die an die Stelle der Batterie Bp tritt (in Fig. 10 durch strichlierte Verbindungsleitung angedeutet) und zur Erzeugung der gegenphasigen Niederfrequenzspannung U_v„ eine von dieser Quelle gespeiste Phasenumkehrstufe PH vorzusehen, deren Ausgang an diejenigen Schalterklemmen angeschlossen ist, die sonst mit dem Minuspol der Batterie B, verbunden sind.

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Es hat sich gezeigt, dass das Elektrodenmaterial, z.B. das Zinndioxid, von Lichtventilanordnungen beim Betrieb mit Gleichspannungen einer Zersetzung unterworfen ist, die die Lebensdauer der Anordnungen erheblich verkürzen kann. Um diese Unzulänglichkeit zu vermeiden, wurde im vorstehenden jeweils die Alternative des Betriebes mit niederfrequenten Wechselsapnnungen statt Gleichspannungen vorgeschlagen. Man kann jedoch auf die Verwendung von niederfrequenten Wechselspannungen verzeichten, wenn die anzulegenden Gleichspannungen in einem bestimmten Rhythmus umgepolt werden.

Diese Umpolung lässt sich einfacherweise durch einen zusätzlichen Umschalter realisieren und ist in dem Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 11 beispielsweise dargestellt. Bis auf die zusätzlichen Umschalter S, und Sp, die durch einen einzigen zweipoligen Umschalter ersetzt werden können, stimmt diese Anordnung mit der in Fig. 10 dargestellten überein. Die Umschalter können von Hand oder mittels eines Steuergerätes ST betätigt werden. Im Steuergerät kann beispielsweise eine bistabile Kippstufe bekannter Bauart vorgesehen sein, die durch geeignete dem Steuergerät von aussen zugeführte Steuersignale die Umschalter S, und S„ betätigt. So kann beispielsweise nach dem "Schreiben" einer oder mehrerer Zeilen oder Spalten dem Gerät ein Impuls zugeführt werden, wodurch die Potentiale an den Elektroden umgepolt werden.

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Es leuchtet ein, dass sich eine derartige Umpolung der Batteriepolaritäten auch bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 5 bis 7 genau auf die gleiche Weise realisieren lässt.

Eine weitere vorteilhafte Variante der Anordnung nach Fig. sieht vor, den Umschaltern S' zusätzliche Spannungsteiler beispielsweise Potentiometer, zuzuordnen. Auf diese Weise kann, je nach Spannungsteilerverhältnis, die Graustufe des oder der optisch angesteuerten Matrixelemente individuell eingestellt werden.

Diese Ausführungsform ist in der Fig. 12 beispielsweise dargestellt. In Reihe mit den beiden Batterien B₁ und B_? liegen aus je einem Widerstand R. (k = J>,...,6) und einem Potentiometer P. bestehende Reihenschaltungen. Das Verhältnis der Widerstandswerte der Potentiometer und der diesen zugeordneten Widerstände ist dabei so gewählt, dass an den Widerständen je ein dem Schwellenwert U-, des Flüssigkristalls entsprechender Spannungsabfall entsteht, als bei U_T = 6 Volt weisen die Potentiometeranschlüsse, die den Widerständen zugewandt sind, Potentiale von jeweils - 9 Volt gegen Masse auf. Auf diese Weise lässt sich an jedem gewünschten Matrixelement eine Potentialdifferenz zwischen 6 Volt (noch keine Aenderung der optischen Eigenschaften) bis JiQ Volt (optimaler Kontrast) einstellen.

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Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf Lichtventilanordnungen der in den Figuren 5 bis 7 und 10 bis 12 vorgeschlagenen Art. Diese sind lediglich als beispielshaft anzusehen. In der praktischen Ausführung der Matrizen können die Abstände zwischen benachbarten Zeilenbzw. Spaltenelektroden beliebig variiert werden, wobei stets ein isolierender Zwischenraum vorgesehen sein muss. Ebenso kann der Winkel, den sich gegenüber liegende Elektroden ψ einschliessen von 90 abweichen. Auch muss die Geometrie der Elektroden nicht den dargestellten Formen entsprechen. Zeilen- und Spaltenelektroden können verschieden ausgebildet sein. Weiterhin ist es möglich, mehrere Matrizen in sogenannter Multilayer-Technik hintereinander anzuordnen.

Die bisher vorgeschlagenen Schaltungsanordnungen hatten im wesentlichen die Kontrastverbesserung in Lichtventilanordnungen zu Gegenstand. Das oder die optisch angesteuerten Matrixelementen, die sich durch ihren gegenüber-den ihnen

nicht angesteuerten
benachbarten Elementen durch höhere Lichtintensität oder Depolarisation auszeichnen, verweilen jeweils nur so lange im angesteuerten Zustand, als die Addressiersignale an den entsprechenden Elektroden anliegen. Beim Abschalten dieser Signale erfolgt die Löschung der Information. Lichtventilanordnungen dieser vorgeschlagenen Art eignen sieh somit in hervorragender Weise als elektrooptische Addressiereinrichtungen für Faksimile-Schreibgeräte (page-composer).

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Soll die Information gespeichert werden, so kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, dass die in die Lichtventilanordnung eingegebene Information auf einer durch die angesteuerten Matrixelemente belichtete photographische Platte oder Film übertragen wird. Will man jedoch die Information in einer Flüssigkristall-Anzeige speichern, so ist eine zusätzliche Einrichtung erforderlich, bei der die eigentliche Information über eine optische Kopplungseinrichtung an ein speicherfähiges Medium und danach an eine nachgeschaltete Flüssigkristall-Anzeige weitergegeben wird.

Eine Speieheranordnung, der das oben geschilderte Prinzip zugrunde liegt, ist in FIg. 13 beispielsweise dargestellt. Zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren 1, 2, beispielsweise in Form bekannter Polarisationsfolien, liegt die erfindungsgeroässe Lichtventilanordnung. Sie stimmt in ihrem Aufbau mit den beschriebenen Anordnungen überein. Sie besteht aus zwei parallel zueinander angeordneten Glasplatten 3,4 die auf ihren der flüssigkristallinen Schicht LC zugewandten Oberflächen mit Elektroden Ε_γ und E„ versehen sind. Die E-lektroden bestehen beispielsweise aus Zinndioxid (SnO_p). An den Polarisator 2 schliesst sich eine weitere Glasplatte 5 an. Auf dieser ist unter Zwischenschaltung einer Schicht 6 aus Zinndioxid ein flächiger Photoleiter 7 vorgesehen. Dieser besteht beispielsweise aus Cadmiumsulfid oder amorphen Selen. Beide Substanzen sind bekannte Photoleiter (vgl. Elec-

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tremie Image Storage, Academic Press, New York (1968). Insbesondere die letztgenannte Substanz, das amorphe Selen, eignet sich gut für die vorgeschlagene Anordnung, da seine Ansprechzeit nur wenige Mikrosekunden, seine Abklingzeit jedoch mehrere Sekunden betragen kann.

Die der Zinndioxidschicht 6 abgewandte Seite des Photoleiters 7 ist mit einer Vielzahl von Elektroden 8 versehen. Die Geometrie dieser Elektroden und ihre Verteilung auf der genannten Oberfläche entspricht der Geometrie der Matrlxelemente. Die Elektroden bestehen beispielsweise aus Gold und weisen eine Dicke auf, bei der dieses Material nicht mehr lichtdurchlässig ist. Sie können auch aus einem anderen Material bestehen, welches sowohl mit dem Photoleiter 7 als auch mit der sich an die Elektroden 8 anschliessenden zweiten Flüssigkristallschicht LC¹ verträglich ist. Der Raum 9 zwischen den Elektroden 8 ist mit einem elektrisch isolie-P renden, lichtundurchlässigen Material ausgefüllt, an das ebenfalls die genannte Verträglichkeitsbedingung gestellt werden muss. Den Abschluss der Anordnung bildet eine weitere Glasplatte 10, die auf ihrer der Flüssigkristallschicht LG¹ zugewandten Oberfläche mit einer durchgehenden Zinndioxid-Elektrode 11 versehen ist.

Aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung sind die einzelnen Schichten der Fig. Ij5 nicht masstäblich dargestellt.

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Die Lichtventilanordnung, die wie oben erwähnt, aus den Polarisatoren 1, 2, den Glasplatten J5, 4 mit dazwischenliegender Flüssigkristall-Schicht LC und Elektroden E„ und Ε_γ besteht, wird auf die gleiche Weise beschaltet, wie beispielsweise die Anordnung in Fig. 7. Dies ist in Fig. 13 nicht weiter dargestellt. Die restlichen Komponenten der Anordnung sind auf folgende Weise beschaltet:

Zwischen die Zinndioxidschicht 6, die als eine Anschlusselektrode für den Photoleiter 7 dient, und der Elektrode 11 ist eine Gleichspannungsquelle B oder eine Niederfrequenz-Wechselspannungsquelle Q' geschaltet. Die Klemmenspannungen der Quellen B bzw. Q' sind dabei so gewählt, dass bei fehlender Ansteuerung eines Matrixelementes der Lichtventilanordnung der Spannungsabfall am Flüssigkristall LC¹ kleiner-

ist als die Schwellenspannung IL, dieser Substanz und dass nach erfolgter Ansteuerung eines Matrixelementes der Lichtventilanordnung infolge des Niederohmigwerdens des Photoleiters 7 an der Flüssigkristallschicht LC' eine Spannung anliegt, die wesentlich grosser ist als die Schwellenspannung dieses Kristalls. Die letztgenannten Bedingungen lassen sich jedoch leicht realisieren.

Mit der oben beschriebenen Anordnung kann eine kurzzeitig in die Lichtventilanordnung eingegebene Information gespeichert werden. Die Speicherzeit ist dabei im wesentlichen

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durch die Eigenschaften des Photoleiters 7 bestimmt. Sie kann also bei Verwendung der genannten Substanz, dem amorphen Selen, mehrere Sekunden betragen. Auf diese Weise lassen sich - je nach Adressierung der Matrixelemente - beliebige zweidimensionale Strukturen in der Flüssigkristallanzeige erzeugen, die durch aufeinander folgende Bildpunkte, Teile von Zeilen oder Spalten etc. komponiert sind.

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Claims

- 27 - 48/71 Patentansprüche

1.)Schaltungsanordnung zur Ansteuerung matrixförmig adressierbarer flüssigkristalliner Lichtventilanordnungen, bei denen Matrixelemente durch Anlegen von Adressiersignalen in Form von elektrischen Spannungen zwischen mindestens eine Zeilenbzw. Spaltenelektrode und eine Spalten- bzw. Zeilenelektrode ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Adressiersignalquellen solche Kenndaten und Schaltmittel aufweisen, dass zwischen Zeilen- und Spaltenelektroden der anzusteuernden Matrixelemente die Gleich- oder Niederfrequenzkomponenten der Adressiersignale mit Potentialdifferenzen grosser als der Schwellenwert (U_T) für die Aenderung der optischen Eigenschaften des Flüssigkristalls sowie gegebenenfalls eine Hochfrequenzkomponente, Vielehe keinen nennenswerten Einfluss auf die genannte Aenderung ausübt, wirksam sind*und dass in allen übrigen Matrixelementen entweder Gleich- oder Niederfrequenzkomponenten der Adressiersignale mit einer Potentialdifferenz kleiner als der genannte Schwellenwert oder sowohl Gleichoder Niederfrequenzkomponenten der Adressiersignale grosser als der besagte Schwellenwert als auch eine Kochfrequenzspannung wirksam sind.

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2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Matrixelementes (i, k) im Koinzidenzpunkt der i-ten Zeilenelektrode (E_v.) und der k-ten-

Al

Spaltenelektrode (E„. ) eine der beiden Elektroden auf ein erstes Gleich- oder Niederfrequenzpotential (U_v; U_V._T_) gegen

Λ AN X

Masse und die andere Elektrode auf ein zweites Gleich- oder Niederfrequenzpotential (ϋ_γ; ü„„_f) gegen Masse gelegt sind, ' derart, dass im angesteuerten Matrixelement (i, k) eine Po-F tentialdifferenz (U,™·) grosser als der Schwellenwert (IL₁) wirksam ist, und dass alle Zeilen- und Spaltenelektroden über je einen Widerstand (R) mit der einen Klemme einer Hochfrequenzquelle (Q_Kf>), deren andere Klemme an Masse liegt, verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Matrixelementes (i, k) im Koinzidenzpunkt der i-ten Zeilenelektrode (E„.) und der k-ten

Spaltenelektrode (Ε_γ, ) eine der beiden Elektroden auf ein erstes Gleich- oder Niederfrequenzpotential (U_v; U_vvr_) gegen

Ä AN I

Masse und die andere Elektrode auf ein zweites Gleich- oder Niederfrequenzpotential (U„; U„_Nf<) gegen Masse gelegt sind, derart, dass im angesteuerten Matrixelement (i, k) eine Potentialdifferenz (U_vv) grosser als der Schwellenwert (U ) wirk-

AX 1

sam ist und dass die nicht auf den genannten Gleich- oder Niederfrequenzpotentialen liegenden Spalten- und Zeilenelek-

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troden mit der einen Klemme einer Hochfrequenzquelle (Q„_),

ril

deren andere Klemme an Masse liegt, verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Matrixelementes (i, k) im Koinzidenzpunkt der i-ten Zeilenelektrode und der k-ten Spaltenelektrode zwischen beiden Elektroden eine Gleich- öder Niederfrequenzspannung angelegt ist, derart, dass im anzusteuernden Matrixelement (i, k) eine Potentialdifferenz (U_vv) grosser als der Schwellenwert (U^) wirksam ist, dass den genannten Gleich- oder Niederfrequenzspannungen eine Hochfrequenzspannung (Uuf.) überlagert ist, die von einer mit den Gleich- oder Niederfrequenzquellen (Β_χ, B„; Q„, Qy) in Reihe geschalteten Hochfrequenzquelle (Qrrf) erzeugt wird, und dass alle Zeilen- und Spaltenelektroden über je einen Widerstand (R) an Masse liegen.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Matrixelementes (i, k) im Koinzidenzpunkt der i-ten Zeilenelektrode und der k-ten Spaltenelektrode zwischen beide Elektroden eine Gleich- oder Niederfrequenzspannung angelegt ist, derart, dass im anzusteuernden Matrixelement eine Potentialdifferenz (Uyy) grosser als der Schwellenwert (ϋ_φ) wirksam ist, und dass den genannten Gleich-

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oder Niederfrequenzspannungen eine Hochfrequenzspannung (U„~)

überlagert ist, die von einer mit den Gleich- oder Niederrequenzquellen (B , B_v; Q_v, Q_v) in Reihe geschalteten Hoehfrequenzquelle (Qtt„) erzeugt wird, und dass alle nicht mit

ill

den genannten Gleich- oder Niederfrequenzspannungen beaufschlagen Zeilen- und Spaltenelektroden an Masse geschaltet sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1_? dadurch gekennzeichnet, dass alle Spalten- und Zeilenelektroden über je einen Widerstand (R) an Masse geschaltet sind, und dass zur Ansteuerung des· Matrixelementes (i, k) im Koinzidenzpunkt der i-ten Zeilenelektrode und der k-ten Spaltenelektrode die eine der beiden Elektroden mit der einen Klemme, die andere Elektrode mit der anderen Klemme eines von einer Hochfrequenzquelle

(QTT_f) gespeisten, aus zwei Dioden (D₁, D_) und zwei Widerständen (R-, Rp) bestehenden Netzwerks verbunden sind, welches Netzwerk an seinen beiden Klemmen gegenphasige Spannungen (UJL·.,,, ¹⁷YHf^ ^liefert·

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur Ansteuerung eines oder mehrerer Matrixelernente einer Zeile, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeilenelektrode (Ε_χ2> ^aui" eine erstes Potential (U_B1) gegen Masse geschaltet ist, dass die übrigen Zeilenelektroden (Ε_χι, E_x,,....) auf ein Hochfrequenzpotential (υ«*) gegen Masse geschaltet sind, dass zur Ansteuerung der

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gewünschten Matrixelemente ((", 3)» (2, 5)₃ (2, 6)) die entsprechenden Spaltenelektroden (Ε_γ,, Ε_γι_, ^γβ^ ^au^ ^e^-^{n zwe}i~ tes Potential (IL,-) gelegt sind, wobei die Potentialdifferenz zwischen dem genannten ersten und dem genannten zweiten Potential grosser ist, als der SchwelIenwert (ϋ_) für die Aenderung der optischen Eigenschaften des Flüssigkristalls, und dass die übrigen Spaltenelektroden (Ε_γ2,₃...) auf das genannte erste Potential (U-..) gelegt sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 zur Ansteuerung eines oder· mehrerer Matrixelemente einer Spalte, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spaltenelektrode auf ein erstes Potential gegen Masse geschaltet ist, dass die übrigen Spaltenelektroden auf ein Hochfrequenzpotential gegen Masse geschaltet sind, dass zur Ansteuerung der gewünschten Matrixelemente die entsprechenden Zeilenelektroden auf ein zweites Potential gegen Masse geschaltet sind, wobei die Potentialdifferenz zwischen dem genannten ersten und dem genannten zweiten Potential grosser ist, als der Schwellenwert (U™) für die Aenderung der optischen Eigenschaften des Flüssigkristalls, und dass die übrigen Zeilenelektroden auf das genannte erste Potential gelegt sind.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur individuellen Einstellung der Graustufe oder des Kontrastes der Matrixelemente einer Zeile oder einer Spalte

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die anzusteuernden Matrixelemente mittels Spannungsteilern (R. _s P.; R₁ , P₁ ) auf unterschiedliche, an ihnen wirksame

1 1 K K

Potentialdifferenzen gelegt sind.

ÄKTIENGESELLS CHAFT BROWN₉ BOVERI & CIE.

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