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Die
Erfindung betrifft einen räumlichen
Lichtmodulator und eine Anzeige.
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Die
Patentschrift
EP 811 872 ,
die am 10. Dezember 1997 veröffentlicht
wurde, offenbart einen ablenkenden räumlichen Lichtmodulator und
eine Anzeige. Eine hochauflösende
Elektrodenstruktur wird verwendet, um einen ferroelektrischen Flüssigkristall
(FLC) in feine Unterteilungsbereiche zu schalten, die für die Ablenkung
von Licht geeignet sind, z. B. zur Verwendung in einer Projektionsanzeige
mit großer
Helligkeit. Jedes Bildelement (Pixel) ist mit einer interdigital
angeordneten Elektrodenstruktur versehen, so dass abwechselnde Streifen
des FLC in den gleichen optischen Zustand oder in unterschiedliche
optische Zustände
geschaltet werden können. Wenn
alle Streifen in den gleichen Zustand geschaltet sind, lenkt das
Pixel kein Licht ab, das sich dadurch in der nullten Ordnung der
Brechung durch das Pixel bewegt. Ein optisches System zum Sammeln von
Licht von den Pixeln ist im Allgemeinen so angeordnet, dass in diesem
Betriebszustand kein Licht gesammelt wird, so dass das Pixel dunkel
erscheint.
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Die
Patentschrift
US 5,182,665 offenbart
einen Modulator, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben ist.
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Wenn
abwechselnde Streifen des FLC in unterschiedliche optische Zustände geschaltet
werden, wirkt das Pixel als ein Beugungsgitter. Die interdigital angeordneten
Streifen des FLC können
z. B. an dem durchgehenden Licht unterschiedliche Phasenverzögerungen
bewirken, die sich z. B. um 180° unterscheiden.
Das Pixel wirkt als ein Beugungsgitter, wobei Licht in die von null
verschiedene Ordnung der Brechung gebrochen und durch das zugehörige optische
System gesammelt wird, so dass das Pixel hell erscheint.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein räumlicher Lichtmodulator geschaffen,
mit einer Adressierungsschaltung und mehreren Bildelementen, wovon
jedes mehrere erste lang gestreckte Elektroden und mehrere zweite
lang gestreckte Elektroden, die in Bezug auf die ersten Elektroden
interdigital angeordnet sind, besitzt, wobei die ersten Elektroden
mit der Adressierungsschal tung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die zweiten Elektroden elektrisch schwebend sind.
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Der
hier verwendete Ausdruck "elektrisch schwebend" bedeutet, dass keine
elektrische Verbindung vorhanden ist, um eine bestimmte Spannung
an den zweiten Elektroden aufzubauen. Dadurch wird die Spannung
an den zweiten Elektroden durch die Wirkungen von Spannungen an
benachbarten Leitern und durch die Streukapazität, die Induktivität und den
Widerstand bestimmt, die sich aus der Geometrie und den Materialien
der Vorrichtung ergeben. Dieser Ausdruck ist auf dem Gebiet der
Elektronik wohlbekannt und wird in seinem herkömmlichen Sinn verwendet.
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Die
Verwendung von schwebenden zweiten Elektroden verringert im Wesentlichen
die Anzahl der erforderlichen Verbindungen. Die Konstruktion und die
Herstellung sind deswegen vereinfacht und die Kosten sind im Vergleich
mit Anordnungen, bei denen die zweiten Elektroden mit der Adressierungsschaltung
verbunden sein müssen,
geringer.
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Der
Modulator umfasst vorzugsweise eine Lage aus elektrooptischem Material.
Dieses Material kann ein Flüssigkristall
sein, wie etwa ein ferroelektrischer Flüssigkristall.
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Die
erste und die zweite Elektrode können
in der Nähe
einer ersten Oberfläche
der Lage angeordnet sein. Jedes der Bildelemente kann eine dritte Elektrode
aufweisen, die in der Nähe
einer zweiten Oberfläche
der Lage angeordnet ist.
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Die
Bildelemente können
in Zeilen und Spalten angeordnet sein und die erste und die zweite Elektrode
können
in Richtung der Spalten verlaufen. Wenigstens einige der Bildelemente
in jeder Spalte können
gemeinsame erste und zweite Elektroden gemeinsam nutzen. Durch das
Vorsehen von verlängerten
zweiten Elektroden, die von mehreren Zeilen der Bildelemente gemeinsam
genutzt werden, wird die Spannung der zweiten Elektroden besser
auf eine gewünschte
Spannung stabilisiert. Die ersten Elektroden können mit einem Datensignal-Generator der Adressierungsschaltung
verbunden sein.
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Die
dritten Elektroden können
in Richtung der Zeilen verlaufen. Wenigstens einige der Bildelemente
in jeder Zeile können
eine gemeinsame dritte Elektrode gemeinsam nutzen. Diese dritten
Elektroden können
mit einem Strobesignal-Generator
der Adressierungsschaltung verbunden sein. Derartige Anordnungen
ermöglichen
die Verwendung von herkömmlichen
Techniken der passiven Matrixadressierung.
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Jedes
der Bildelemente ist vorzugsweise zwischen einem ablenkenden Zustand
und einem nicht ablenkenden Zustand umschaltbar. Die Verbindungsanordnungen
für ablenkende
räumliche
Lichtmodulatoren sind dadurch wesentlich vereinfacht. Die ersten
und die zweiten interdigital angeordneten Elektroden können ferner
ein parasitäres
Gitter bilden, welches unabhängig
davon, ob ein Pixel im ablenkenden oder im nicht ablenkenden Zustand
ist, Licht, wenn auch mit einem geringen Wirkungsgrad, beugt. Ein
derartiges parasitäres
Gitter besitzt eine effektive Teilung, die sich von der eines Gitters
unterscheidet, das in dem ablenkenden Zustand durch ein Pixel gebildet
wird. Im nicht ablenkenden Zustand lenkt somit jede Beugung, die
durch das durch die Elektroden gebildete parasitäre Gitter erzeugt wird, Licht
unter einem anderen Winkel gegenüber
der Beugung ab, die dann erzeugt wird, wenn das Pixel in dem ablenkenden
Zustand ist. Das Kontrastverhältnis
der Modulation von Licht, das in der ersten Ordnung abgelenkt wird,
ist dadurch verbessert.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Anzeige geschaffen, gekennzeichnet
durch einen Modulator gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung, eine Lichtquelle zum Beleuchten des Modulators
und ein optisches System zum Sammeln von Licht von dem Modulator.
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Der
räumliche
Lichtmodulator ist besonders geeignet zur Verwendung in Anzeigen,
wie etwa Projektionsanzeigen mit großer Helligkeit. Wenn die Bildelemente
zwischen einem ablenkenden Zustand und einem nicht ablenkenden Zustand
umschaltbar sind, ist das optische System vorzugsweise so angeordnet,
dass es Licht von den Bildelementen des Modulators sammelt, wenn
diese im ablenkenden Zustand sind. Das ist vom Standpunkt des Kontrastverhältnisses,
d. h. das Verhältnis
von Licht, das durch jedes Pixel im hellen und dunklen Zustand erzeugt wird,
gegenüber
der umgekehrten Anordnung bevorzugt. Das optische System ist vorzugsweise
ein System zur optischen Projektion.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
beispielhaft beschrieben, in der:
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1 eine
Explosionsansicht eines Pixels eines räumlichen Lichtmodulators ist;
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2 eine
Schnittansicht des Pixels von 1 ist;
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3 eine
schematische Draufsicht einer bekannten Elektrodenanordnung für das Pixel
der 1 und 2 ist;
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4 eine
alternative Elektrodenanordnung darstellt;
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5 eine
Elektrodenanordnung darstellt, die in Kombination mit der in den 1 und 2 gezeigten
Struktur eine Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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6 eine
Schnittansicht eines Pixels unter Verwendung der Elektrodenanordnung
von 5 sowie einen Schaltplan seiner Ersatzschaltung
zeigt;
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7 eine
schematische Darstellung einer Projektionsanzeige ist;
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die 8, 9 und 10 schematische Schnittansichten
sind, die Beugungsgitter darstellen, die durch die Elektrodenanordnungen
von 4, 3 bzw. 5 gebildet
werden;
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11 eine
schematische Draufsicht eines SLM ist, bei dem die Elektrodenanordnung
von 3 verwendet wird;
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12 eine
schematische Draufsicht eines SLM ist, bei dem die Elektrodenanordnung
von 5 verwendet wird und der eine Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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13 ein
Schaltplan einer Ersatzschaltung einer schwebenden Elektrode des
SLM von 12 ist; und
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14 einen
ablenkenden und einen nicht ablenkenden Zustand eines Pixels des
SLM von 12 darstellt.
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In
der Zeichnung geben gleiche Bezugszeichen gleiche Teile an.
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Die
1 und
2 erläutern den
Aufbau eines Pixels eines räumlichen
Lichtmodulators (SLM)
1 des Typs, der in
EP 811 872 offenbart ist. Der SLM1 umfasst
Zeilen und Spalten aus Pixeln mit einem passiven Matrixadressierungsschema.
Der SLM wirkt als eine ablenkende Anzeigetafel im Reflexionsmodus
mit einem oberen und einem unteren Glassubstrat
1 bzw.
2.
Das obere Glassubstrat
1 ist mit einer durchlässigen leitenden
Lage aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtet, das in der Weise geätzt ist,
dass interdigital angeordnete Elektroden gebildet werden, die erste
Elektroden, wie etwa Elektroden
3, aufweisen, die sich
mit zweiten Elektroden, wie etwa Elektroden
4, abwechseln.
Die Elektroden sind mit einer Abgleichlage
5 aus einem
ferroelektrischen Flüssigkristallmaterial
bedeckt. Die Abgleichlage
5 wird gebildet, indem Siliciumoxid
unter einem Winkel von 84° zur
Normalen des Substrats
1 schräg aufgedampft wird, um den
C1-Zustand im ferroelektrischen Flüssigkristallmaterial zu induzieren,
welches z. B. von dem Typ ist, der als SCE
8 bekannt ist,
das von Merck verfügbar
ist. Die Abgleichlage
5 besitzt eine Dicke von etwa 10
Nanometern.
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Ein
Spiegel 6 aus leitendem Material bildet eine dritte Elektrode
auf dem Substrat 2 und wird hergestellt, indem Silber mit
einer Dicke von etwa 100 Nanometern abgelagert wird. Ein festes
Viertelwellenlängenplättchen 7 wird
auf dem Spiegel und der Elektrode 6 gebildet, indem eine
Mischung aus einem reaktionsfähigen
Mesogen, wie RM 257, und einem geeigneten Lösungsmittel, wie etwa eine
Tolnen/Xylen-Mischung, mit einem Photoauslöser schnell rotierend verteilt
wird. Diese Anordnung wird für
etwa zehn Minuten mit UV-Licht in einer Stickstoffatmosphäre gehärtet. Die
Dicke der Platte 7 wird gesteuert, indem z. B. die Mischungsverhältnisse
der Materialien und die Rotationsgeschwindigkeit variiert werden,
so dass sie als ein Viertelwellenlängenplättchen für eine vorgegebene Bandbreite
im sichtbaren Spektrum wirkt, die z. B. um 520 Nanometer mittig angeordnet
ist. Die Dicke d ist durch den Ausdruck d = λ/4Δn gegeben, wobei λ die Wellenlänge der
Bandmitte ist und Δn
die Differenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen
Brechungsindex des Materials des Viertelwellenlängenplättchens 7 ist. Das
Viertelwellenlängenplättchen 7 besitzt
typischerweise eine Dicke in der Größenordnung von 800 Nanometern.
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Eine
weitere Abgleichlage 8 ist auf dem Viertelwellenlängenplättchen 7 gebildet,
z. B. in der gleichen Weise, wie oben für die Abgleichlage 5 beschrieben
wurde.
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Die
Substrate 1 und 2 werden dann z. B. durch Abstandskugeln
mit einem Durchmesser von 2 Mikrometern voneinander beabstandet
und so zusammengefügt,
dass sie eine Zelle bilden, die mit dem ferroelektrischen Flüssigkristallmaterial
gefüllt wird,
um eine Lage 9 zu bilden. Der Abstand erzeugt eine Lage
aus ferroelektrischem Flüssigkristallmaterial,
welches eine Halbwellenverzögerung
erzeugt, so dass die Flüssigkristalllage
als eine Halbwellen-Verzögerungseinrichtung
wirkt, deren optische Achse umschaltbar ist. Die ferroelektrische
Flüssigkristalllage
besitzt eine Dicke d, die durch d = λ/2ΔnFLC angegeben
ist, wobei ΔnFLC die Differenz zwischen dem ordentlichen
und dem außerordentlichen
Brechungsindex des ferroelektrischen Flüssigkristallmaterials ist.
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Um
die Helligkeit der Anzeige zu optimieren, wird die Reflexionsfähigkeit
von allen Grenzflächen vorzugsweise
verringert, indem z. B. am Substrat 1 Reflexionsbeschichtungen
aufgebracht werden und die Elektroden 3 und 4 optisch
vergraben werden.
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Für jedes
Pixel wirkt die Elektrode 6 als eine gemeinsame Elektrode
und ist für
eine Zeile aus Pixeln gemeinsam vorhanden. Jede "Zeilen"-Elektrode 6 empfängt eine
Referenzspannung, wie etwa null Volt, außer dann, wenn ein Strobeimpuls
daran angelegt wird. Die ersten Elektroden 3 sind untereinander verbunden
und die zweiten Elektroden 4 sind untereinander verbunden,
um zwei Gruppen von interdigital angeordneten Elektroden zu bilden,
die so geschaltet sind, dass sie Datensignale empfangen. Wenn z.
B. die Elektroden 3 und 4 die gleiche Spannung
empfangen, ist die ferroelektrische Flüssigkristalllage 9 an
dem Pixel in dem gleichen gleichförmigen Zustand, so dass das
Pixel im Wesentlichen nicht ablenkend ist und Licht reflektiert.
Wenn die ersten und zweiten Elektroden 3 und 4 jeweils
mit geeigneten unterschiedlichen Spannungen verbunden sind, sind die
Streifen aus ferroelektrischem Flüssigkristall unter den ersten
Elektroden 3 in einem Zustand, der von dem Zustand der
Streifen unter den zweiten Elektroden 4 verschieden ist,
so dass eine Phasendifferenz von 180° zwischen Licht, das sich durch
benachbarte Streifen bewegt, vorhanden ist. Das Pixel wirkt dann
als ein reines Phasen-Beugungsgitter und beugt auftreffendes Licht
in von null verschiedene Ordnungen der Beugung.
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3 veranschaulicht
die Anordnung der ersten und zweiten Elektroden
3 und
4,
die in
1 gezeigt und in
EP
811 872 offenbart sind. Um den Beugungszustand des Pixels
auszuwählen,
müssen unterschiedliche
Spannungen V1 und V2 an die ersten Elektroden
3 und die
zweiten Elektroden
4 geliefert werden. Das erfordert einzelne
separate Verbindungen von den ersten und zweiten Elektroden
3 und
4 zu
einer Adressierungsschaltung. Viele erwünschte Verbindungsanordnungen
für diese
Elektrodenanordnung sind jedoch geometrisch unmöglich oder sind unerwünscht, da
derartige Anordnungen die Pixelblende einschränken würden oder die Kosten und die
Komplexität
der Anordnungen von Ausgangspins vergrößern würden.
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4 veranschaulicht
eine mögliche
alternative Anordnung, bei der lediglich die ersten Elektroden 3 vorhanden
sind, die in der Weise geschaltet werden können, dass sie eine Spannung
V1 empfangen, um den Ablenkungszustand des Pixels zu wählen. Obwohl
die Verbindungskomplexität
im Vergleich zu der Anordnung von 3 verringert
ist, ist die Steuerung des Schaltzustands des Flüssigkristallbereichs in den
Lücken
zwischen den ersten Elektroden und die Stabilität dieses Zustands schlecht,
so dass die Gittertreue in dem ablenkenden Zustand verhältnismäßig schlecht
ist. Diese Probleme werden erläutert
in "Switching on
stray electric fields in ferroelectric liquid crystal cells", J. A. MM Van Haaren
u. a., Liquid Crystal 16, S. 735–748 (1994) sowie in "An Ultra-High-Resolution Ferroelectric
Liquid Crystal Video Display",
D. G. McDonnell u. a., SID Digest 93, S. 654ff (1993).
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5 veranschaulicht
eine Pixelelektrodenanordnung, die in dem SLM 1 der 1 und 2 verwendet
wird, um eine Ausführungsform
der Erfindung zu bilden. Wie in den in den 3 und 4 gezeigten
Anordnungen sind die ersten Elektroden 3 mit einer Adressierungsschaltung
verbunden, um eine Spannung V1 zu empfangen, um die ablenkende Betriebsart
des Pixels auszuwählen.
Die zweiten Elektroden 4 sind vorgesehen, sind jedoch elektrisch schwebend,
wie in 5 gezeigt ist. Obwohl diese Elektroden nicht elektrisch
angeschlossen sind, unterstützen
sie die Schaltsteuerung und die Unterscheidung in dem darunter liegenden
ferroelektrischen Flüssigkristallmaterial,
um die Schaltsteuerung und die Unterscheidung in den Bereichen der Lage 9 in
der Nähe
der zweiten Elektroden 4 zu unterstützen. Es kann eine bessere
Flüssigkristall-Gittertreue
erreicht werden als bei der Elektrodenanordnung von 4,
wobei jedoch lediglich die gleiche Anzahl von Verbindungen mit den
Elektroden 3 erforderlich ist. Das Vorhandensein der schwebenden zweiten
Elektroden 4 verbessert somit die Unterscheidung zwischen
umgeschalteten und nicht umgeschalteten Bereichen im Vergleich zu
der Anordnung von 4, wobei keine der Verbindungsbe schränkungen
der Anordnung von 3 vorhanden ist.
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6 veranschaulicht
schematisch die elektrischen Abschnitte des Pixels gemeinsam mit
einer vereinfachten Ersatzschaltung. Die dritte Elektrode 6 ist
so gezeigt, dass sie mit null Volt verbunden ist, wohingegen die
ersten Elektroden 3 so gezeigt sind, dass sie mit einer
Spannung V1 verbunden sind. Die Spannungen an den schwebenden zweiten
Elektroden 4 sind als Vf angegeben.
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Die
Wirkung des Flüssigkristalls
zwischen den Elektroden 3 und 4 und der dritten
Elektrode 6 wird durch die Kapazitäten 10 bis 14 dargestellt.
Obwohl resistive und spannungsabhängige kapazitive Wirkungen
außerdem
berücksichtigt
werden sollten, schafft die kapazitive Darstellung eine gute Näherung erster
Ordnung der Leistungsfähigkeit
der Struktur. Die Kapazitäten
zwischen benachbarten Paaren von Elektroden 3 und 4 sind
durch die Bezugszeichen 15 bis 18 dargestellt.
Unter Verwendung dieser Darstellung ist die Spannung Vf an den schwebenden
zweiten Elektroden 4 eine Funktion des Potentialteilers, der
durch die geometrische Form der Elektroden gebildet wird, wobei
dieser so beschaffen sein kann, dass sich an den schwebenden Elektroden
ein vorteilhaftes Potential ergibt, so dass die Leistungsfähigkeit ähnlich wie
bei der Anordnung von 3 ist, jedoch mit den einfacheren
Verbindungsanforderungen der in 4 gezeigten
Anordnung.
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7 veranschaulicht
schematisch eine Projektionsanzeige unter Verwendung des SLM oder des
ablenkenden Lichtventils 1 eines Typs, der dem in den 1 und 2 gezeigten
Typ ähnlich
ist, jedoch so beschaffen ist, dass er in der Durchgangsbetriebsart
betrieben wird. Der SLM 1 wird durch eine geeignete Lichtquelle 19 beleuchtet
und ein optisches System, das eine Sammellinse 20 enthält, bildet
die Pixel des SLM 1 auf einem (nicht gezeigten) Bildschirm
ab. In dem nicht ablenkenden oder durchlassenden Zustand geht Licht
durch den SLM 1 und wird durch eine optische Blende 21 blockiert,
wohingegen in dem ablenkenden Zustand Licht durch eine Öffnung 22 zu
der Sammellinse 20 zur Bilderzeugung abgelenkt wird. Somit
erscheinen Pixel in dem nicht ablenkenden Zustand dunkel, wohingegen
Pixel in dem ablenkenden Zustand hell erscheinen.
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8 veranschaulicht
schematisch ein Pixel in dem ablenkenden Zustand, das die Elektrodenanordnung
von 4 besitzt. Der Flüssigkristall wirkt als ein reines
Phasen-Beugungsgitter mit der gleichen Teilung wie die Elektroden 3,
so dass Licht in von null verschiedenen Ordnungen abgelenkt wird und
in der Anzeige, die in 7 gezeigt ist, durch die Sammellinse 20 gesammelt
wird. Wenn jedoch das Beugungsgitter abgeschaltet wird, so dass
der Flüssigkristall
im gesamten Pixel im gleichen Zustand ist, bilden die Elektroden 3 ein
Beugungsgitter mit der gleichen Teilung. Obwohl der Wirkungsgrad
dieses Beugungsgitters sehr schlecht ist, wird trotzdem etwas Licht
in den von null verschiedenen Ordnungen abgelenkt, wenn das Pixel
in dem nicht ablenkenden Zustand ist. Das begrenzt das Kontrastverhältnis der Pixel
bei diesem Typ der Elektrodenanordnung.
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Die 9 und 10 entsprechen
der 8, veranschaulichen jedoch die Verwendung der Elektrodenanordnungen,
die in den 3 bzw. 5 gezeigt
sind. In beiden Fällen
bilden die ersten und zweiten Elektroden 3 und 4 ebenfalls
ein Beugungsgitter, das jedoch eine Teilung besitzt, die die Hälfte der
Teilung des Beugungsgitters ist, das durch das Flüssigkristallmaterial
in der Ablenkungsbetriebsart des Pixels gebildet wird. Demzufolge
wird in dem nicht ablenkenden Zustand Licht, das durch das Gitter
abgelenkt wird, welches durch die Elektroden 3 und 4 gebildet
wird, bei einem anderen Winkel gegenüber der in 8 gezeigten
Anordnung abgelenkt und wird durch die optischen Blenden 23 und 24,
die die Öffnung 22 definieren,
blockiert. Deswegen ist das Kontrastverhältnis verbessert. Somit besitzt
die Anordnung, die in den 5 und 10 dargestellt
ist, den verbesserten optischen Wirkungsgrad der Anordnung von 9 im
Vergleich zu dem von 8, jedoch ohne die Komplikationen
und Einschränkungen,
die durch die in den 3 und 9 gezeigte
Elektrodenanordnung bewirkt werden.
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11 veranschaulicht
einen Abschnitt eines SLM unter Verwendung einer Elektrodenanordnung
des Typs, der in 3 dargestellt ist und ein passives
Matrixadressierungsschema besitzt. Die Pixel, wie etwa das Pixel 25,
sind in einer Rechteckmatrix aus Zeilen und Spalten angeordnet,
die durch die Adressierungselektroden definiert sind. Die dritten Elektroden 6 umfassen
Zeilenelektroden, die die Zeilen der Pixel definieren, und sind
mit einem Strobesignal-Generator 26 verbunden,
um nacheinander Strobesignale Vs zu empfangen. Die ersten und zweiten
Elektroden 3 und 4 bilden Datenelektroden, die
sich über
die Länge
der Pixelspalten erstrecken und die in Gruppen mit einem Datensignal-Generator 27 verbunden
sind. In der vereinfachten Anordnung, die dargestellt ist, wird
jede Spalte von Pixeln durch drei erste Elektroden 3, die
untereinander und mit einem Leitungstreiber des Datensignal-Generators 27 verbunden
sind, und durch drei zweite Elektroden 4, die untereinander
und ebenfalls mit einem Leitungstreiber des Datensignal-Generators 27 verbunden sind,
definiert. In der gezeigten Anordnung empfangen die ersten und zweiten
Elektroden 3 und 4 jeder Spalte positive und negative
Datensignale Vd+ bzw. Vd– zum
Auswählen
des ablenkenden Zustands eines Pixels. Der Datensignal-Generator 27 liefert
geeignete Datensignale an alle Spalten gleichzeitig mit jedem Strobesignal
von dem Strobesignal-Generator 26, so dass bei dem SLM
zu einem Zeitpunkt jeweils eine Zeile mit neuen Bilddaten aufgefrischt
wird.
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12 ist
der 11 ähnlich,
zeigt jedoch eine Anordnung, die eine Ausführungsform der Erfindung bildet,
wobei die Ausführungsform
mit schwebender zweiter Elektrode verwendet wird, die in 5 dargestellt
ist. Diese Anordnung unterscheidet sich von der in 11 gezeigten
Anordnung dahingehend, dass sich die zweiten Elektroden 4 über die gesamten
Spaltenabschnitte erstrecken, jedoch schwebend bleiben. Es ist außerdem möglich, dass die
schwebenden zweiten Elektroden 4. z. B. in Gruppen oder über den
gesamten SLM untereinander verbunden sind.
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Die
Ersatzschaltung der Elektrodenanordnung, die in 12 gezeigt
ist, ist in 13 für eine typische schwebende
zweite Elektrode 4 gezeigt. Die Ersatzschaltung ist wiederum
dahingehend vereinfacht, dass sie die Kopplung der zweiten Elektrode 4 mit
den anderen Elektroden als rein kapazitiv darstellt. Die Kopplung
zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 6,
die gegenwärtig
einen Strobeimpuls empfängt,
ist am Bezugszeichen 28 gezeigt, wohingegen die Kopplung
mit anderen dritten Elektroden 6, die gegenwärtig ein
Potential null besitzen, durch die Kondensatoren 29 und 30 dargestellt
ist. Die Kopplung zwischen der schwebenden zweiten Elektrode 4 und
benachbarten ersten Elektroden 3, die ein Datensignal Vd
empfangen, ist durch einen Kondensator 31 dargestellt.
Die Spannung Vf der schwebenden Elektrode ist durch die Potentialteilerwirkung
der Kondensatoren 28 bis 30 und die Spannungen,
die in 13 gezeigt sind, festgelegt.
Obwohl nicht dargestellt, kann eine der dritten Elektroden 6 gleichzeitig
einen Austastimpuls mit kleinerer Amplitude als der Strobeimpuls
Vs, jedoch mit entgegengesetzter Polarität empfangen, wobei dies ebenfalls
die Spannung Vf bewirken würde.
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Bei
einem SLM, bei dem die Dicke der Zelle, d. h. der Abstand zwischen
den dritten Elektroden 6 und den ersten und zweiten Elektroden 3 und 4 klein ist
im Vergleich zu den Breiten der Elektroden und der Breite der Zwischenräume zwischen
benachbarten Elektroden, wird die Spannung Vf durch die Kopplung
mit den dritten Elektroden 6 dominiert und die Kopplung
mit angrenzenden ersten Elektroden ist verhältnismäßig unbedeutend. In diesem
Fall sind die Spannungen Vf der zweiten Elektrode nahe bei null
Volt, wobei das die "Aus-Spannung" des Strobesignals
ist. Wenn die Abmessungen des SLM derart sind, dass die Pixelbreite
und der Abstand der Zellendicke ähnlich
sind, wird die kapazitive Kopplung des Datensignals Vd der angrenzenden
ersten Elektrode signifikanter und die in 6 dargestellte
Ersatzschaltung ist besser geeignet. Unter diesen Umständen besitzt
die Spannung Vf an den schwebenden zweiten Elektroden 4 eine
Datenabhängigkeit,
die eine bekannte, jedoch unerwünschte
Variation von Vf für
zweite Elektroden an Pixelrändern
erzeugt. Die Schaltunterscheidung wird dadurch verringert. Die tatsächliche
Menge von möglichen
Pegeln von Vf ist jedoch in einem vorgegebenen Adressierungsschema
wohldefiniert, so dass Parameter des Adressierungsschemas festgelegt
werden können.
Daher ist die Spannung Vf an den schwebenden zweiten Elektroden 4 derart,
dass das elektrische Feld über
den Materialstreifen aus ferroelektrischem Flüssigkristall zwischen den zweiten
Elektroden 4 und der dritten Elektrode 6 ein wohldefiniertes
Beugungsgitter ermöglicht,
das für
den ablenkenden Zustand in die Pixel geschrieben wird.
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Um
den SLM als einen einfachen binären SLM
zu betreiben, muss jedes Pixel zwei Zustände besitzen, und zwar einen
ablenkenden und einen nicht ablenkenden Zustand. Wegen des binären Wesens
des ferroelektrischen Flüssigkristalls
gibt es zwei mögliche
Schaltanordnungen für
jeden dieser Zustände,
wodurch sich insgesamt vier mögliche
Zustände
ergeben, wie in 14 dargestellt ist. Ein erster "Aus"-Zustand oder nicht
ablenkender Zustand ist am Bezugszeichen 32 dargestellt,
wobei das ferroelektrische Flüssigkristall über dem
gesamten Pixel in einem seiner stabilen Zustände ist, wie durch die parallelen "Richtungs"-Vektoren, z. B.
am Bezugszeichen 33 dargestellt ist. Der andere Aus-Zustand
ist am Bezugszeichen 34 dargestellt, wobei das gesamte
ferroelektrische Flüssigkristall
innerhalb des Pixels in seinem anderen stabilen Zustand ist. Die "Ein"-Zustände oder
ablenkenden Zustände
sind bei den Bezugszeichen 35 und 36 gezeigt,
wobei die Direktoren von benachbarten ferroelektrischen Flüssigkristallstreifen
in unterschiedlichen stabilen Zuständen sind.
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Ein
einfaches Verfahren zum Adressieren des SLM, der die schwebenden
zweiten Elektroden besitzt, besteht darin, lediglich zwei der vier
möglichen
Zustände
zu verwenden, und zwar einen der Aus-Zustände und einen der Ein-Zustände. Dadurch können alle
Elektroden in einer Zeile ausgetastet werden, indem ein langer Hochspannungs-Austastimpuls
an die Zeilenelektrode angelegt wird, bevor der Strobeimpuls mit
entgegengesetzter Polarität
angelegt wird. Diese herkömmliche
Technik stellt sicher, dass alle Pixel der Zeile vor dem Umschalten
in einem bekannten Zustand sind. Durch das Anlegen von umschaltenden
oder nicht umschaltenden Impulsen an die ersten Elektroden 3 kann
der ferroelektrische Flüssigkristall
unter den ersten Elektroden umgeschaltet oder nicht umgeschaltet
werden, ohne den Zustand des ferroelektrischen Flüssigkristalls unter
den schwebenden zweiten Elektroden 4 zu beeinflussen. Diese
Adressierungstechnik funktioniert, vorausgesetzt, die Spannungen
Vf, die an den schwebenden zweiten Elektroden 4 erscheinen,
sind nicht ausreichend, um das benachbarte ferroelektrische Flüssigkristallmaterial
zu beeinflussen. Dadurch wird ein Beugungsgitter gebildet, wenn
ein Schaltimpuls an die ersten Elektroden angelegt wird, und es wird
kein Beugungsgitter gebildet, wenn ein nicht umschaltender Impuls
angelegt wird.
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Die
Verwendung von lediglich einem Aus-Zustand und einem Ein-Zustand
hat zur Folge, dass ein elektrisches Feld mit konstanter Polarität an den
ferroelektrischen Flüssigkristall
unter den schwebenden zweiten Elektroden 4 angelegt wird.
Das kann eine elektrochemische Schädigung des ferroelektrischen Flüssigkristalls
zur Folge haben. Obwohl es optisch unnötig ist, die anderen beiden
möglichen
Pixelzustände
zu verwenden, sollten sie demzufolge verwendet werden, um einen
Gleichspannungsausgleich zu schaffen, damit die Gefahr der elektrochemischen
Schädigung
verringert oder eliminiert wird. Das kann z. B. erreicht werden,
indem die Polaritäten der
Daten-, Austast- und Strobespannungen periodisch umgekehrt wird.
Obwohl ein genauer Gleichspannungsausgleich in einfacher Weise erreicht
wird, indem zwei identische Rahmen nacheinander mit Adressierungsimpulsen
mit entgegengesetzter Polarität
geschrieben werden, kann ein statistischer Mittelwert, der zu einem
Gleichspannungsausgleich tendiert, durch das Umkehren der Polaritäten für unterschiedliche
aufeinander folgende Rahmen erwartet werden. Das ist im Allgemeinen
ausreichend und verringert die maximale wirksame Rahmenwiederholungsrate
des SLM nicht.
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Obwohl
in 12 die schwebenden zweiten Elektroden 4 so
gezeigt sind, dass sie sich über
die Länge
der Pixelspalten erstrecken, können
die zweiten Elektroden in kürzere
Abschnitte unterteilt sein. Die Anzahl der Zeilen, über die
sich jede zweite Elektrode 4 erstreckt, muss mit den kapazitiven
Wirkungen zwischen den interdigital angeordneten Elektroden und
der Flüssigkristallkapazität (und ihrer
zeitlichen Komponente) abgestimmt sein. Die minimale Länge ist
eine Zeile, die in 5 gezeigt ist, wobei die Spannung
Vf der schwebenden zweiten Elektrode nicht mehr von anderen Zeilen
beeinflusst wird.
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Bei
Adressierungsschemen mit Austastimpulsen sollte eine zweite Elektrode 4,
die kürzer
als die gesamte Spalte ist, außerdem
kürzer
als die Anzahl von Zeilen zwischen einem Austastimpuls und einem
nachfolgenden Strobeimpuls sein, so dass der Einfluss der Kopplungskapazitäten für alle Pixel gleich
bleibt. Die Länge
der zweiten Elektrode kann so gewählt sein, dass ein Austastimpuls,
der typischerweise mehrere Zeilen gleichzeitig adressiert, ein Austasten über die
gesamte Länge
der zweiten Elektrode bewirken kann.
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Wie
oben erwähnt
wurde, können
die schwebenden zweiten Elektroden 4 untereinander verbunden
sein. Auf diese Weise kann die Wirkung einer Datenabhängigkeit
der Spannung Vf an den schwebenden Elektroden durch Mittelwertbildung
verringert oder im Wesentlichen eliminiert werden. Die resultierende
Spannung Vf bleibt auf einen Wert nahe an der Strobe-Aus-Spannung
geklemmt, der typischerweise null Volt beträgt. Die auf diese Weise verbundenen schwebenden
Elektroden führen
jedoch ein geometrisches Verbindungsproblem ein und es ist eine
Brückenbildung
mittels eines 2 Pegel-Verbindungsschemas erforderlich. Bei einem
SLM mit geteilter Platte, bei dem obere und untere Hälften separat
adressiert werden, kann eine Erstreckung der schwebenden zweiten
Elektroden über
die gesamte Ausdehnung des SLM dazu beitragen, die Datenabhängigkeit
der Spannung Vf der schwebenden Elektroden zu verringern.
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Obwohl
die Verwendung von ferroelektrischem Flüssigkristallmaterial beschrieben
wurde, können
außerdem
andere Flüssigkristallmaterialien, wie
etwa nematische und antiferroelektrische Flüssigkristalle, verwendet werden.
Obwohl die Verwendung von schwebenden Elektroden in einem ablenkenden
SLM be schrieben wurde, können
derartige schwebende Elektroden auch bei nicht ablenkenden SLMs
verwendet werden.
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Obwohl
die Verwendung der passiven Matrixadressierung oben beschrieben
wurde, können schwebende
Elektroden ebenfalls bei Techniken mit aktiven Matrizen angewendet
werden. Zum Beispiel kann dann, wenn ein Öffnungsverhältnis wichtig ist oder wenn
eine kleine Pixelgröße gefordert
wird, die Anzahl von Durchgangslöchern
für eine
Korrektur an der darunter liegenden Treiberschaltung verringert werden,
indem lediglich eine Gruppe von "verbundenen" Elektroden vorhanden
ist. Bei der aktiven Matrix können
die schwebenden Elektroden die Länge
eines Pixels besitzen oder können
sich über
mehrere Pixel erstrecken.