DE69910439T2

DE69910439T2 - Schaltung für aktive rückwand, räumlicher lichtmodulator mit einer solchen schaltung und verfahren zum betrieb eines solchen räumlichen lichtmodulators

Info

Publication number: DE69910439T2
Application number: DE69910439T
Authority: DE
Inventors: William Alden Crossland
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1998-12-19
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: US7061463B2; WO2000038166A1; EP1145217B1; CA2353843A1; JP2002533767A; DE69910439D1; JP4621354B2; US20030174117A1; GB9827964D0; AU1870400A; EP1145217A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf adressierbare Matrizen und auf räumliche Lichtmodulatoren, die solche Matrizen enthalten.
Der räumliche Lichtmodulator, der in bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform in dieser Beschreibung beschrieben wird, besitzt die Form einer smektischen Flüssigkristallage, die zwischen einer aktiven Halbleiterrückwand und einer gemeinsamen vorderen Elektrode angeordnet ist. Er wurde als Reaktion auf eine Anforderung für einen schnellen und, wenn möglich, preiswerten räumlichen Lichtmodulator, der eine verhältnismäßig große Anzahl von Bildelementen umfaßt, mit möglicher Anwendung nicht nur als Anzeigevorrichtung, sondern auch für andere Formen der optischen Verarbeitung wie etwa für die Korrelation und das holographische Schalten, entwickelt. Weitere Aspekte dieser Erfindung werden behandelt in den gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldungen der Erfinder mit dem gleichen Einreichungs- und Prioritätsdatum (PCT/GB99/04285, Ref: P20957WO, Priorität GB9827952.4; PCT/GB99/04286 und PCT/GB99/04276, Refs: P20958WO und P20958WO1, beide Priorität GB9827965.6; PCT/GB99/04282, Ref: P20959WO, Priorität GB9827900.3; PCT/GB99/04279, Ref: P20960WO, Priorität GB9827901.1; PCT/GB99/04275, Ref: P20962WO, Priorität G9827945.8; und PCT/GB99/04260 und PCT/GB99/04277, Refs: P20963WO und P20963WO1, beide Priorität GB 9827944.I).
Während der Entwicklung dieses räumlichen Lichtmodulators wurden eine Reihe von Problemen festgestellt und behandelt, wobei die Lösungen zu diesen Problemen (ob in Form einer Konstruktion, einer Funktion oder eines Verfahrens) hinsichtlich der Anwendung nicht notwendig auf die Ausführungsform beschränkt sind, sondern weitere Anwendungen finden. Somit sind nicht alle Aspekte der vorlie genden Erfindung notwendig auf Flüssigkristallvorrichtungen oder auf räumliche Lichtmodulatoren beschränkt. Dennoch ist es nützlich, mit einer Diskussion der Probleme zu beginnen, die bei der Entwicklung der später beschriebenen Ausführungsform festgestellt wurden.
Die Flüssigkristallphase ist im vergangenen Jahrhundert erkannt worden, wobei es einige wenige frühe Versuche gab, Flüssigkristallmaterialien in Lichtmodulatoren zu verwenden, von denen keiner irgendeine bedeutende erfolgreiche kommerzielle Verwendung fand. Allerdings gab es gegen Ende der 1960-er und in den 1970-er Jahren mit zunehmendem Erfolg, während mehr Materialien und reinere Materialien verfügbar wurden, und mit dem allgemeinen Fortschritt der Technologie erneutes Interesse an der Verwendung von Flüssigkristallmaterialien bei der Lichtmodulation.
Allgemein gesagt, begann diese spätere Periode mit der Verwendung nematischer und cholesterischer Flüssigkristallmaterialien. Cholesterische Flüssigkristallmaterialien fanden Verwendung als Sensoren, vornehmlich zur Messung der Temperatur oder zur Angabe eines Temperaturbereichs, aber auch zur Reaktion beispielsweise auf die Anwesenheit von Verunreinigungen. In diesen Fällen ist die Steigung der cholesterischen Helix empfindlich gegenüber dem abzutastenden Parameter und ändert dementsprechend die Wellenlänge, bei der es eine selektive Reflexion einer Drehrichtung von zirkular polarisiertem Licht durch die Helix gibt.
Außerdem wurden Versuche zur Verwendung cholesterischer Materialien in elektrooptischen Modulatoren durchgeführt, wobei der Hauptschub der Forschung auf diesem Gebiet während dieses Zeit raums aber nematische Materialien betraf. Die ersten Vorrichtungen nutzten solche Effekte wie den nematischen dynamischen Streueffekt, während anspruchsvollere Vorrichtungen entstanden, die Eigenschaften wie die oberflächeninduzierte Ausrichtung, die Wirkung auf polarisiertes Licht und die Mitausrichtung länglicher Farbstoffmoleküle oder anderer länglicher Moleküle/Partikel nutzten.
Einige dieser Vorrichtungen verwendeten Zellen, in denen die nematische Phase entweder durch geeignetes Anordnen von Oberflächenausrichtungen oder durch Integration optisch aktiver Materialien in die Flüssigkristallphase eine gewundene Struktur annahm. In gewissem Sinn ähneln diese Materialien cholesterischen Materialien, die häufig als Spezialform der nematischen Phase betrachtet werden.
Anfangs besaßen Flüssigkristall-Lichtmodulatoren die Form einer einzelnen Zelle, die eine Lage aus Flüssigkristallmaterial enthielt, das zwischen Platten geschichtet war, die entgegengesetzte Elektroden trugen, wobei wenigstens eine der Platten durchsichtig war. Diese Zellen waren langsam im Betrieb und neigten wegen der Verschlechterung des Flüssigkristallmaterials zu einer kurzen Lebensdauer. Recht früh wurde erkannt, daß das Anlegen einer durchschnittlichen Gleichspannung an die Flüssigkristallzelle nicht nützlich war und wenigstens in einigen Fällen eine Verschlechterung durch Elektrolyse des Flüssigkristallmaterials selbst erzeugte, wobei Systeme entwickelt wurden, die die durchschnittliche Gleichspannung zu null zu machten (Gleichspannungs-Gleichgewicht).
Es wird jetzt erkannt, daß auch weitere Effekte am Werk sind, wenn eine Gleichspannung angelegt wird. Beim Ansteuern elektrooptischer Flüssigkristallvorrichtungen während irgendeiner Zeitdauer kann eine Erscheinung auftreten, die als Bildfesthalten bekannt ist. Obgleich die genaue Ursache dieses Effekts unbekannt ist, gibt es Theorien, daß als Reaktion auf ein Gesamt-Gleichspannungsfeld Ionen eingefangen werden oder in dem Material eine Raumladung induziert wird, was zu einem Restfeld führt, selbst wenn das äußere Gleichspannungsfeld entfernt wird. Sei es zum Vermeiden des elektrolytischen Durchschlags oder zum Vermeiden des Bildfesthaltens, es ist offensichtlich wünschenswert, daß die zeitlich gemittelte Spannung (d. h. der Mittelwert über die Zeitdauer, in der die Spannung von einer äußeren Quelle tatsächlich an den Flüssigkristall angelegt wird), die an ein Flüssigkristallmaterial angelegt wird, null ist.
Üblicherweise beträgt die Dicke der Flüssigkristallage in nematischen Zellen etwa 20 bis 100 Mikrometer, wobei es im Zusammenhang mit einer nematischen Flüssigkristallzelle eine entsprechend kleine Einheitskapazität gibt. Außerdem neigt die Schaltzeit aus einem vollständigen "AUS"-Zustand in einen vollständigen "EIN"-Zustand dazu, recht lang, üblicherweise etwa eine Millisekunde, zu sein. Die Relaxation zurück in den "AUS"-Zustand kann, wenn sie nicht wirklich angesteuert wird, etwas länger sein, wobei der "AUS"-Zustand aber der einzige stabile ist.
Gleichzeitig wurden elektrooptische nematische Vorrichtungen konstruiert, die mehrere Bildelemente umfassen. Anfangs hatten diese die Form einer gemeinsamen Elektrode auf einer Seite einer Zelle und einer Mehrzahl einzeln adressierbarer passiver Elektroden auf der anderen Seite der Zelle (z. B. wie in einer Siebensegmentanzeige) oder, für höhere Anzahlen von Bildelementen, sich schneidender passiver Elektrodenmatrizen auf beiden Seiten der Zelle, beispielsweise Zeilen- und Spaltenelektroden, die abgetastet wurden.
Während die letzteren Anordnungen eine beträchtliche Vielseitigkeit schafften, gab es Probleme im Zusammenhang mit dem Übersprechen zwischen Bildelementen.
Da die optische Reaktion nichtlinear mit der angelegten Spannung zusammenhängt, wurde die Situation verschlechtert, wenn durch die analoge Modulation der angelegten Spannung analoge Anzeigen (Graustufen-Anzeigen) gefordert wurden. Insbesondere dann, wenn auch ein Gleichspannungs-Gleichgewicht gefordert wurde, wurden die Adressierungsschemata verhältnismäßig kompliziert. Solche Betrachtungen im Zusammenhang mit der verhältnismäßigen Langsamkeit des Schaltens nematischer Zellen erschweren es, Echtzeit-Videobilder mit einer sinnvollen Auflösung zu liefern.
Anschließend wurden Aktivrückwand-Vorrichtungen hergestellt. Diese umfassen eine Lage aus Flüssigkristallmaterial, die zwischen einer Rückwand und einem beabstandeten gegenüberliegenden Substrat angeordnet ist. Die Rückwand umfaßt mehrere aktive Elemente wie etwa Transistoren zum Erregen entsprechender Bildelemente. Obgleich es möglich wäre, für Felder, die allgemein parallel zu der Ebene der Flüssigkristallage sind, Gegenelektroden in der Rückwand selbst vorzusehen, umfaßt die Erregung normalerweise das Zusammenwirken mit einer oder mehreren Gegenelektroden, die auf dem gegenüberliegenden Substrat angeordnet sind.
Zwei übliche Formen der Rückwand sind Dünnfilm-Transistor-auf-Silika/Glas-Rückwände und Halbleiter-Rückwände. Die aktiven Elemente können in der Weise angeordnet sein, daß sie eine Form einer Speicherfunktion ausüben, wobei das Adressieren des aktiven Elements in diesem Fall im Vergleich zu der Zeit, die das Adressieren und Schalten des Bildelements dauert, beschleunigt werden kann, was das Problem des Anzeigens mit Videobildwiederholraten lockert.
Aktivrückwände sind üblicherweise in einer Anordnung vorgesehen, die sehr ähnlich einem dynamischen Schreib-Lese-Speicher (DRAM) oder einem statischen Schreib-Lese-Speicher (SRAM) ist. Eine Aktivrückwand vom SRAM-Typ enthält an jeder Stelle einer verteilten Matrix adressierbarer Stellen eine Speicherzelle, die wenigstens zwei gekoppelte Transistoren enthält, die so beschaffen sind, daß sie zwei stabile Zustände besitzen, so daß die Zelle (und somit das zugeordnete Flüssigkristall-Bildelement) in dem letzten geschalteten Zustand verbleibt, bis ein späterer Adressierungsschritt ihren Zustand ändert. Jede Stelle steuert elektrisch ihr zugeordnetes Flüssigkristall-Bildelement an und ist an sich, d. h. ohne die Bildelementkapazität, bistabil. Die Leistung zum Ansteuern des Bildelements, so daß es den bestehenden geschalteten Zustand aufrechterhält, wird von Sammelschienen erhalten, die auch die Matrix der SRAM-Stellen versorgen. Die Adressierung wird normalerweise wieder von einer Peripherielogik und von Spalten- und Zeilenadressierungsleitungen ausgeführt.
In einer Aktivrückwand vom DRAM-Typ ist an jeder Stelle ein einziges aktives Element (ein Transistor) vorgesehen, das zusammen mit der Kapazität des zugeordneten Flüssigkristall-Bildelements eine Ladungsspeicherzelle bildet. Somit sind die Flüssigkristall-Bildelemente in diesem Fall, und anders als bei einer SRAM-Rückwand, ein integraler Bestandteil des DRAM der Rückwand. Wenn das Flüssigkristall-Bildelement selbst nicht bistabil ist, was bisher normalerweise nicht der Fall ist, soweit nematische Bildelemente betroffen sind, ist der Stelle keine Bistabilität zugeordnet. Statt dessen wird darauf, daß das aktive Element, das eine hohe Impedanz liefert, wenn es nicht adressiert ist, eine Ladungsableitung von der Kapazität sperrt, und auf das periodische Auffrischen der DRAM-Stelle vertraut.
Im Gegensatz zu dem RAM-Typ, der der Datenverarbeitung zugeordnet ist, sind die Bildelementschaltungen und, was wichtiger ist, die Bildelementtransistoren häufig wenigstens teilweise Licht ausgesetzt. Insbesondere bei Rückwänden vom DRAM-Typ, bei denen die Bildelemente ein Teil der DRAM-Schaltung sind, kann dies zu Problemen einschließlich der photoinduzierten Leitfähigkeit und der Ladungsableitung führen. Dieser Aspekt ist ausführlicher in der gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/GB99/04279 (Ref: P20960W0) der Erfinder behandelt.
Dünnfilmtransistor-Rückwände (TFT-Rückwände) umfassen eine Matrix von Dünnfilm-Transistoren, die auf einem (üblicherweise durchsichtigen) Substrat über einer möglicherweise beträchtlichen Fläche verteilt sind, mit Peripherielogikschaltungen zum Adressieren der Transistoren, was es erleichtert, eine große Fläche von Bildelementvorrichtungen vorzusehen, die direkt betrachtet werden können. Dennoch gibt es Probleme im Zusammenhang mit den Ausbeuten der Rückwände während der Herstellung, wobei die Länge der Adressierungsleiter eine verlangsamende Wirkung auf die Abtastung hat. Wenn TFT-Matrizen auf einem durchsichtigen Substrat wie etwa aus Glas vorgesehen sind, können sie sich tatsächlich auf der Vorder- oder auf der Rückseite einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung befinden.
Angesichts ihrer Gesamtgröße ist die von den Transistoren, zugeordneten Leitern und anderen elektrischen Elementen, z. B. Kondensa toren, belegte Fläche der TFT-Matrix verhältnismäßig unbedeutend. Somit gib es bei der Verwendung der SRAM-Konfiguration im Gegensatz zu der DRAM-Konfiguration keinen wesentlichen Nachteil. Somit überwindet diese Art Rückwand viele der Probleme im Zusammenhang mit den langsamen Schaltzeiten von Flüssigkristall-Bildelementen.
Allgemein sind die aktiven Elemente in TFT-Rückwänden im Gegensatz zu FETS Diffusionstransistoren und dergleichen, so daß die zugeordneten Impedanzen verhältnismäßig niedrig sind, während die zugeordnete Ladungsableitung im "AUS"-Zustand verhältnismäßig hoch ist.
Die Größe von Halbleiteraktivrückwänden ist auf die Größe des verfügbaren Halbleitersubstrats begrenzt, wobei sie zur direkten Betrachtung ohne dazwischenliegende Optik ungeeignet sind. Dennoch unterstützt ihre sehr kleine Größe die Geschwindigkeit der Adressierung der aktiven Elemente. Dieser Typ der Rückwand umfaßt üblicherweise FETs, z. B. MOSFETs, oder eine CMOS-Schaltungsanordnung mit den zugeordneten verhältnismäßig hohen Impedanzen und einer verhältnismäßig niedrigen zugeordneten Ladungsableitung im "AUS"-Zustand.
Allerdings bedeutet die Kleinheit auch, daß die von den Transistoren, zugeordneten Leitern und anderen elektrischen Elementen, z. B. Kondensatoren, belegte Fläche der Gesamtlichtmodulationsfläche (Matrixfläche) insbesondere in dem SRAM-Typ, der viel mehr Elemente als der DRAM-Typ erfordert, verhältnismäßig bedeutend sein kann. Eine Halbleiterrückwand, die für sichtbares Licht undurchsichtig ist, liefert das hintere Substrat einer Lichtmodulator- oder Anzeigevorrichtung.
Zu einem nochmals späteren Zeitraum fand eine wesentliche Entwicklung bei der Verwendung smektischer Flüssigkristalle statt. Diese besitzen insofern potentielle Vorteile gegenüber nematischen Phasen, als ihre Schaltgeschwindigkeit merklich größer ist, wobei die fenoelektrischen smektischen C-Phasen mit einer geeigneten Oberflächenstabilisierung Vorrichtungen mit zwei stabilen Ausrichtungszuständen, d. h. eine Speicherfunktion, schaffen sollten.
Die Dicke der Lage des Flüssigkristallmaterials ist in diesen Vorrichtungen üblicherweise wesentlich kleiner als in den entsprechenden nematischen Vorrichtungen und liegt normalerweise höchstens in der Größenordnung weniger Mikrometer. Außer dem Ändern der Potentialschaltgeschwindigkeit erhöht dies die Einheitskapazität eines Bildelements, was die Funktion einer DRAM-Aktivrückwand zum Beihalten eines geschalteten Zustands in einem Bildelement, bis die nächste Adresse auftritt, erleichtert.
Allerdings treten Probleme beispielsweise in bezug auf die Gleichförmigkeit der Reaktion über die Bildelementfläche und in bezug auf die Fähigkeit zum Kurzschließen über die Zellendicke auf, während die Flüssigkristalldicke die Dicke erreicht, die der darunterliegenden Struktur der Rückwand und irgendeiner möglichen Verformung der Flüssigkristallstruktur durch Biegung oder eine andere Bewegung der Substrate zugeordnet ist. Diese Faktoren sind ausführlich in der gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/GB99/04282 (Ref: P20959WO) der Erfinder behandelt.
Die Möglichkeit langer Relaxationszeiten oder sogar der Bistabilität der Flüssigkristallzelle oder der Flüssigkristall-Bildelemente ermöglicht die Einführung einer verhältnismäßig neuen digitalen Technik, in der Bildelemente während eines Bruchteils der Betrachtungsdauer gemäß der Graustufe "EIN"-geschaltet werden, wenn ein Graustufenbild gefordert wird. Im wesentlichen wird das Bild rechentechnisch in eine Reihe von Bitebenen zerlegt, in denen jedes Bildelement entweder "EIN" oder "AUS" ist, wobei die Bitebenen nacheinander angezeigt werden. In einer bevorzugten Form, der Technik (normalerweise binär) gewichteter Bitebenen, werden die Dauern der Bitebenen gewichtet, wodurch die Anzahl der. zum Synthetisieren eines Bildes geforderten Bitebenen verringert wird, wobei die Adressierungsanforderungen etwas verringert werden.
Bildelementstruktur-Schalt- und -Adressierungszeiten Bei Verwendung einer Rückwand vom SRAM-Typ zum Schalten eines kapazitiven Elements kann die Zeit, die zum Adressieren der Stelle auf der Rückwand erforderlich ist, unabhängig davon, ob das kapazitive Element reagiert hat, so klein wie zum Schalten dieser Stelle erforderlich sein. Die Stelle ist immer mit der Leistungsversorgung gekoppelt und kann dem kapazitiven Element weiter Leistung (Strom/Spannung) zuführen, nachdem der Adressierungsimpuls abgeschlossen wurde.
Demgegenüber wird einem kapazitiven Element von einer DRAM-Stelle lediglich Leistung zugeführt, während die Adressierung stattfindet, wonach das aktive Element (der Transistor) ausgeschaltet wird. Wenn der Adressierungsimpuls ungenügend lang für die Übertragung der erforderlichen Ladungsmenge ist, wird das kapazitive Element unvollständig geschaltet. Dies tritt beispielsweise wahrscheinlich auf, wenn das kapazitive Element wie in einigen smekti schen Flüssigkristallzellen ferroelektrisches Material enthält und wenn die Adressierungszeit beispielsweise in einer großen Matrix kurz ist.
Eine Lösung besteht darin, eine zusätzliche "Slug"-Kapazität bereitzustellen, die während des Adressierungsimpulses schnell geladen wird und so ein Ladungsreservoir bereitstellen kann, während das kapazitive Element über eine lange Zeitdauer schaltet. Dieser Aspekt ist ausführlicher in der gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/GB99/04279 (Ref: P20960W0) der Erfinder behandelt, die sich auf die Bereitstellung einer Halbleiteraktivrückwand bezieht, die eine Matrix adressierbarer aktiver Elemente auf einem Halbleitersubstrat enthält, um jeweilige erste Elektroden zu erregen, wobei wenigstens ein Teil des Gebietes unter einer der Elektroden so beschaffen ist, daß es als Kondensator wirkt. Insbesondere kann der Teil als Verarmungsgebiet ausgebildet sein, wodurch er im Gebrauch als in Sperrichtung betriebene Diode wirkt, oder können unter der Elektrode einzelne Kondensatorplatten ausgebildet sein, von denen eine mit dem Substrat und die andere mit der Elektrode gekoppelt ist.
Smektische elektrooptische Flüssigkristallzellen In der smektischen Flüssigkristallphase zeigen die Moleküle außer der Orientierungsordnung, die die cholesterische und die nematische Phase zeigen, eine Positionsordnung ("Lagen"). Es gibt eine Anzahl verschiedener smektischer Unterphasen, deren Orientierungsordnung sich hinsichtlich der Gesamtstruktur der smektischen Lagen unterscheidet, wobei die häufigste die smektische A-Phase (SmA) und die smektische C-Phase (SmC) sind.
Die übliche Ausrichtung für smektische Materialien ist planar (wobei die Moleküle allgemein parallel zu den Hauptzellenoberflächen sind), wobei die smektischen Lagen normal zu der Ebene der Zelle sind, da dies ermöglicht, das Feld über die Zellendicke anzulegen. Bei den smektischen Lagen kann eine homeotrope Ausrichtung in der Zellenebene erhalten werden, wobei eine solche Vorrichtung einen schnellen Brechungsindexmodulator liefern kann. Allerdings sind sehr kleine Elektrodenzwischenräume erforderlich, um geeignete elektrische Felder zum Schalten anzulegen, so daß diese Vorrichtungen dazu neigen, sehr kleine aktive Flächen zu haben, wobei dieser Vorrichtungstyp folglich verhältnismäßig unüblich ist.
In der smektischen A-Phase ist der Direktor normal zu der Ebene der Lagen. Das Anlegen eines elektrischen Feldes senkrecht zu dem Direktor bewirkt, daß sich letzterer um eine Achse parallel zu dem angelegten Feld um einen Betrag neigt, der etwa linear von der Feldstärke abhängt, was es ermöglicht, eine analoge Graustufenmodulation zu erreichen. Es wird die Polarisation des Lichts beeinflußt, so daß eine Intensitäts- oder Phasenmodulation erreicht werden kann, wobei normal auffallendes Licht immer senkrecht zu der optischen Achse des Materials ist, da die Drehung des Direktors in der Ebene der Zelle erfolgt. Zusammenwirkend mit der kleinen Höhe der Zelle führt dies zu verbesserten Betrachtswinkeln für solche Vorrichtungen. Dieser Effekt, der der elektrokline Effekt genannt wird, ist außerordentlich schnell, wobei Schaltzeiten bis hinab zu etwa 100 Nanosekunden beobachtet worden sind.
In der smektischen C-Phase bildet der Direktor einen konstanten ("Neigungs"-)Winkel mit der Ebene der smektischen Lagen. Der Neigungswinkel hängt von dem Material und von der Temperatur ab und definiert einen Kegel mit seiner Spitze auf der smektischen Lage und mit seiner Achse normal zu der Lage, wobei alle möglichen Positionen des Direktors auf der Kegeloberfläche liegen. Im Grundmaterial einer chiralen smektischen C-Phase (SmC*) weist der Direktor wie in einer Helix von Lage zu Lage eine Präzession auf.
In der chiralen smektischen C-Phase sind die Flüssigkristallmaterialien ferroelektrisch und besitzen einen dauerhaften Dipol, der gelegentlich spontane Polarisation (P_s) genannt wird. In dem Grundmaterial dreht sich P_s in der Ebene der Lage, während der Direktor eine Präzession aufweist, so daß keine Gesamtwirkung beobachtbar ist. Die Ferroelektrizität des Grundmaterials kann beobachtet werden, wenn die Präzession entweder durch Oberflächenstabilisation der Direktorstellungen, so daß lediglich die zwei Orientierungen des Direktors, die in der Ebene der Vorrichtung liegen, möglich sind, und/oder durch Rückdotieren mit einem chiralen Material mit der entgegengesetzten Drehrichtung unterdrückt wird.
Smektische C*-Materialien können allgemein in zwei Klassen unterteilt werden, die als Materialien mit hoher bzw. niedriger Neigung bekannt sind. Klasse-I-Materialien besitzen die Phasenfolge isotropnematisch-smektisch A*-smektisch C* und neigen dazu, Materialien mit niedriger Neigung zu sein, deren Neigungswinkel allgemein bis zu etwa 22,5° (Kegelwinkel 45°) gruppiert sind; Klasse II-Materialien besitzen die Phasenfolge isotrop-nematisch-smektisch C* und neigen dazu, Materialien mit hoher Neigung mit größeren Neigungswinkeln zu sein. Materialien mit einem Kegelwinkel größer als 75° sind selten, obgleich ein Kegelwinkel von 90° für holographische Anwendungen, die die Phasenmodulation erfordern, ideal wäre.
Bei Materialien mit niedriger Neigung sind die smektischen Lagen in bezug auf die Zellenoberfläche anstatt in rechten Winkeln schräg, so daß der Direktorkegel eine geneigte Achse besitzt und seine Oberfläche tangential zu der Zellenoberfläche ist. Für Materialien mit hoher Neigung ist die Kegelachse normal zu der Zellenoberfläche.
Wenn die Struktur oberflächenstabilisiert ist, gibt es theoretisch wenigstens für Klasse-I-Materialien keine Priorität zwischen den zwei Zuständen eines Materials mit niedriger Neigung, wobei sich eine bistabile Struktur ergeben sollte. Eine Oberflächenstabilisierung kann einfach dadurch erreicht werden, daß die Lage in der Zelle dünn hergestellt wird. Die zwei Zustände besitzen verschiedene Wirkungen auf polarisiertes Licht und können somit eine Intensitäts- oder Phasenmodulation liefern. In der Praxis ist es insbesondere auf Siliciumrückwänden sehr schwierig oder unmöglich, eine echte Bistabilität zu erhalten, so daß es eine leichte Priorität für einen Zustand gegenüber dem anderen gibt. Dennoch sollte dies verhältnismäßig lange Relaxationszeiten verursachen.
Für Materialien mit hoher Neigung sind die zwei Zustände nicht gleich, wobei ein Zustand gegenüber dem anderen bevorzugt ist, so daß es in Abwesenheit irgendeines anderen Faktors eine Monostabilität gibt. Die zwei Zustände sind derart, daß eine Phasenmodulation des Lichts und indirekt, z. B. in holographischen Anwendungen, eine Intensitätmodulation erhalten werden kann. In dem räumlichen Lichtmodulator der Erfindung können sowohl Materialien mit hoher als auch mit niedriger Neigung verwendet werden.
Stabilität/Relaxation Die Anwesenheit der spontanen Polarisation und ihrer Wiederausrichtung, während sich die Flüssigkristallmole küle unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes wiederausrichten, führt zu einem wesentlichen zusätzlichen Strom- oder Ladungsfluß während der Wiederausrichtung, z. B. zwischen den Elektroden auf beiden Seiten einer smektischen Lage. Ein Bildelement der Fläche A verbraucht während des Schaltens eine Ladung 2A P_s. Dieser Faktor ist besonders wichtig, wenn das Schalten des Bildelements durch eine Aktivrückwand vom DRAM-Typ gesteuert wird, wenn die Bildelementkapazität und P_s zu wichtigen Entwurfsparametern werden. Außerdem wird angemerkt, daß der Ladungsverbrauch in solchen Vorrichtungen das Feld über die Elektroden verringert, wenn der Adressierungsimpuls wie in der derzeit bevorzugten Ausführungsform ungenügend lang ist, um sich an das Schalten des Bildelements anzupassen.
Wie bereits angemerkt worden ist, ist die Verwendung der hier beschriebenen Rückwände nicht auf Flüssigkristallvorrichtungen beschränkt. Allerdings sind diese Rückwände zur Verwendung bei der Herstellung von Flüssigkristallvorrichtungen besonders geeignet. Obgleich in solchen Vorrichtungen nematische oder cholesterische Materialien verwendet werden können, werden wegen ihrer schnelleren Schaltaktion bevorzugt smektische Materialien verwendet.
Weitere Gründe für die Bevorzugung smektischer Materialien sind die schnellen Schaltzeiten; und im Fall der Verwendung einer Aktivrückwand vom DRAM-Typ (dies trifft nicht zu, wenn die Rückwand der SRAM-Typ ist, da die Leistung/der Strom ständig an jedes Bildelement angelegt werden können) die Fähigkeit zum Verlängern der Relaxationszeit oder sogar zum Erhalten einer bistabilen Wirkung, wenn das Bildelement in dem gewünschten Zustand angeordnet worden ist. Ein Vorteil einer schnellen Schaltzeit, falls eine Relaxa tion stattfindet, liegt in der Zunahme des Anteils der für die Betrachtungszeit nutzbaren Bildelement-Wiederholungsadressen-Zeitdauer. Ein weiterer Vorteil ist insbesondere dort, wo die optische Verarbeitung betroffen ist, die Erhöhung des Datendurchsatzes.
Elektrostatische Stabilisierung Der Ladungsverbrauch, der auftritt, wenn ein Bildelement in eine Richtung geschaltet wird, veranlaßt eine entsprechende Erzeugung von Ladung, wenn das Bildelement in die andere Richtung schaltet. Somit kann keine Ladung fließen und sich das Bildelement nicht entspannen, wenn ein geschaltetes Bildelement vollständig elektrisch isoliert ist. Im Betrieb einer Matrix vom DRAM-Typ kann dies dadurch bewirkt werden, daß alle Transistoren der Matrix ausgeschaltet werden, wobei dies in der bevorzugten Ausführungsform dadurch ermöglicht wird, daß an die Zeilenabtasteinrichtungen ein globales Rücksetzsignal NRAR angelegt wird. Außerdem werden in einigen Ausführungsformen des Adressierungsschemas alle Transistoren bis zum Start der Abtastung des nächsten Rahmens in dem ausgeschalteten Zustand gelassen, wenn alle Zeilen in dem Rahmen abgetastet worden sind. (Andere Ausführungsformen des Adressierungsschemas einschließlich jener mit einer Wechselspannungsstabilisierung erfordern, daß die Transistoren eingeschaltet gelassen werden.)
In der Praxis kann die Ladungsableitung nicht vollständig beseitigt werden, so daß, allerdings während einer ausgedehnten Zeitdauer, eine Relaxation auftritt. Eine übliche Ursache der Ladungsableitung ist die Photoleitfähigkeit im Zusammenhang mit der zuvor erwähnten Slug-Kapazität und/oder sind Photoleitungs- oder andere Leckströme in dem zugeordneten Schalttransistor der DRAM-Matrix.
Somit ist die elektrische Isolation ein nützliches, aber unvollkommenes Hilfsmittel zur Verlängerung der Relaxationszeiten. Es ist klar, daß der wichtige Faktor unabhängig davon, ob eine lange Relaxationszeit durch eine geeignete Wahl des Materials und der Zellenkonstruktion oder durch elektrische Isolation erreicht wird, darin besteht, daß zwischen aufeinanderfolgenden Adressierungen irgendeines Bildelements ausreichend Zeit gelassen werden kann, daß es im wesentlichen in seinem gewünschten Zustand aufrechterhalten wird.
Wechselspannungsstabilisierung Während der Relaxation dreht sich der Direktor aus der Ebene der Vorrichtung in die Alternativstellung. Falls an ein Material ein elektrisches Feld angelegt wird, induziert das Feld selbst eine Polarisation des Materials, wobei die Polarisation mit dem Feld reagiert, was zu einem Drehmoment führt, das proportional zum Quadrat des Feldes und somit unabhängig von der Feldpolarität ist. Bei einem Material mit einer negativen dielektrischen Anisotropie bewirkt dieses Drehmoment, daß das Molekül in der Ebene des Bildelements bleibt und dadurch das "Verriegeln" der Orientierung des Flüssigkristalldirektors in einem seiner geschalteten Zustände. Somit verhindert das ununterbrochene Anlegen eines elektrischen Wechselfelds zwischen aufeinanderfolgenden Adressierungen (normalerweise mit niedriger Amplitude in bezug auf die Schaltspannung) die Relaxation des Direktors in die Alternativorientierung. Jeder Neigung des Direktors, sich aus einer der zwei bevorzugten Orientierungen zu drehen, wird sofort wirksam durch das Wechselfeld entgegengewirkt, das den Direktor in die Orientierung zurückstellt, die er haben sollte. Die Wirkung sollte so lange erhalten bleiben, wie das Wechselfeld vorhanden ist, so daß sich die Vorrichtung so verhält, als ob sie stabil wäre.
In einer DRAM-Matrixvorrichtung kann diese Wirkung dadurch erhalten werden, daß alle DRAM-Schalttransistoren global eingeschaltet werden, wobei an alle Spaltenelektroden das gleiche Gleichspannungssignal (z. B. null oder V Volt) angelegt wird, während an die gemeinsame vordere Elektrode eine Wechselspannung angelegt wird, deren Gleichspannungspegel dem an die Spaltenelektroden angelegten entspricht.
Diese endlose Verlängerung der geschalteten Bildelementzustände ist besonders wichtig in bestimmten Typen der optischen Verarbeitung, bei denen der gleiche optische Zustand möglicherweise über Tage, Monate oder sogar Jahre aufrechterhalten werden muß.
Somit ist klar, daß es während des Betriebs der Matrix wünschenswert wäre, eine Mehrzahl der Zeilen und bevorzugter alle Zeilen gleichzeitig freizugeben, so daß alle freigegebenen Bildelemente entlang jeder Spalte gleichzeitig in den gleichen Zustand gebracht werden können. Dies ist bereits in Verbindung mit der Bereitstellung der Austastung und der Wechselspannungsstabilisierung zur Verlängerung des geschalteten Zustands eines Bildelements erwähnt worden und ist auch insofern wünschenswert, als es ermöglicht, daß die Länge der Zeitdauer, über die ein Gleichspannungsimpuls des Potentials angelegt wird, deutlich und genau definiert ist, was bei Betrachtung des Gleichstromabgleichs wünschenswert ist. Nach einer solchen Freigabe und dort, wo keine Wechselspannungsstabilisierung verwendet wird, ist es außerdem wünschenswert, die Freigabe der freigegebenen Transistoren aufzuheben, was vorzugsweise eine globale Aufhebung der Freigabe über die gesamte Matrix sein sollte, um eine Relaxation beispielsweise wegen Kurzschließen einer Flüssigkristallzelle zu verhindern.
In der nachstehend zu beschreibenden Ausführungsform, in der die parallelen Daten, die den Spalten zugeführt werden, völlig gleich sind und in der alle Zeilen freigegeben werden, kann die gesamte Matrix auf null oder eins gebracht werden, wodurch die Matrix ausgetastet wird. Wenn die parallelen Daten entlang der Spalten geändert werden, wird ein vertikal gestreiftes Bild erzeugt.
Wenn die Potentialdifferenz zwischen der vorderen Elektrode und den Spalten während der Austastung null ist, werden die Bildelemente kurzgeschlossen, wodurch ermöglicht wird, daß eine Relaxation stattfindet. Alternativ kann die Potentialdifferenz positive oder negative Gleichspannung sein, die somit alle Bildelemente verhältnismäßig schnell ein oder aus ansteuert. Wie anderswo in dieser Beschreibung (Wechselspannungsstabilisierung) ausführlicher beschrieben ist, können die Bildelemente unter bestimmten Umständen in ihren bestehenden Zuständen erhalten werden, wenn die Gleichspannungs-Potentialdifferenz null ist, während, vorzugsweise an der gemeinsamen vorderen Elektrode zum Erleichtern des Anlegens, eine kleine Wechselspannung vorhanden ist.
Dementsprechend schafft die Erfindung eine Aktivrückwand-Anordnung, die eine Matrix aus elektrisch adressierbaren Elementen umfaßt, die auf einer Aktivrückwand definiert sind, wobei die Matrix eine erste Mehrzahl aus sich gegenseitig ausschließenden Mengen der Elemente umfaßt, wobei die Anordnung außerdem erste Mengenabtastmittel umfaßt, die so beschaffen sind, daß sie alle Mengen der ersten Mehrzahl, jeweils eine Menge zu einem Zeitpunkt, in einer vorgegebenen Reihenfolge adressieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ferner erste Mengenauswahlmittel umfaßt, die wahl weise jede der Mengen unabhängig von den ersten Mengenabtastmitteln adressieren, wobei mehr als eine oder alle Mengen der ersten Mehrzahl von Mengen gleichzeitig adressiert werden können.
Viele Matrizen werden über orthogonale Mengen von Leitern adressiert, wobei, während die üblichste Form der Matrix als adressierbare Zeilen (die Mengen) und Spalten angeordnet ist, andere Anordnungen möglich sind, die beispielsweise auf Polarkoordinaten (Abstand und Winkel) beruhen. Allerdings neigen moderne Rechenverfahren und Standardumsetzer in der Mehrzahl der Fälle dazu, andere Formate redundant zu machen.
Vorzugsweise umfassen die Mengenabtastmittel wenigstens ein Schieberegister mit mehreren Stufen, wobei jede Menge mit dem Ausgang einer jeweiligen Stufe gekoppelt ist. Somit kann ein beim Start eines Registers eingefügtes Token entlang der Register getaktet werden, um der Reihe nach jede Menge zu adressieren. Vorzugsweise sind die Ausgänge von den Registern oder die nachfolgende Schaltungsanordnung so angeordnet, daß sie auf einen (Takt-) Impuls damit reagieren, daß sie die Adresse entfernen, bevor eine weitere Menge von Elementen adressiert wird.
An jeder Ausgangsstufe des Schieberegisters bzw. der Schieberegister kann ein erster Steuereingang vorgesehen sein, der, wenn er aktiviert wird, ein erstes vorgegebenes Signal an seine Menge übergibt (dieses umfaßt die Schaltungsanordnung zwischen einer Ausgangsstufe und ihren Mengen, so daß der Steuereingang die Ausgangsstufe entweder zwischenspeichert oder dominiert). Dies kann dazu verwendet werden, alle Elemente ausgewählter Mengen in den ersten vorgegebenen Zustand zu schalten, wobei es im Gebrauch in der bevorzugten Aus führungsform dazu dient, alle Schalttransistoren einer Matrix vom DRAM-Typ einzuschalten.
Ferner können die Ausgangsstufen der Schieberegister oder die Schaltungsanordnung zwischen den Ausgangsstufen und den ("ausgewählten") Mengen zweite Steuereingänge enthalten, die, wenn sie aktiviert werden, ein zweites vorgegebenes Signal an alle "ausgewählten Mengen" übergeben. Dieses zweite vorgegebene Signal unterscheidet sich von dem ersten und kann dazu verwendet werden, alle Elemente der ausgewählten Mengen in den gleichen zweiten vorgegebenen Zustand zu schalten, der verschieden von dem ersten ist. Im Gebrauch dient es in der bevorzugten Ausführungsform dazu, alle Schalttransistoren einer Matrix vom DRAM-Typ auszuschalten.
Vorzugsweise kann entweder das erste oder das zweite vorgegebene Signal Priorität gegenüber dem anderen haben.
Wenn die Elemente als Zeilen (Mengen) und Spalten angeordnet sind, kann es zwei Schieberegister, eines für die ungeraden Zeilen und eines für die geraden Zeilen, geben. Es kann eingerichtet sein, daß zu einem Zeitpunkt lediglich das Ausgangssignal von nur einem Schieberegister aktiv ist, so daß lediglich eine Zeile adressiert wird, worauf die Adresse zu der vorausgehenden Zeile entfernt wird.
Die Schieberegister können getaktet werden, d. h. in der Weise angeordnet werden, daß zu einem Zeitpunkt lediglich ein Register getaktet wird. Diese Taktungsaktion kann z. B. dadurch, daß ein volles Register und daraufhin das andere getaktet wird, oder dadurch, daß jedes Register abwechselnd getaktet wird, um zu einem Zeitpunkt eine Zeile zu adressieren, geändert werden, um nach Bedarf sequentielle (progressive) oder verschachtelte Abtastungen zu schaffen. Allerdings ist es, z. B. für ein angrenzendes Paar einer ungeraden und einer geraden Zeile, ebenfalls möglich, daß die Ausgangssignale von beiden Registern gleichzeitig aktiv sind.
Um die Anzahl der durch das bzw. die Schieberegister adressierten Mengen von Elementen zu erhöhen, kann auf ihre Ausgänge ein Demultiplexer folgen. Dies erhöht außerdem die Ordnung, in der die Zeilen adressiert werden können.
Wo die Elemente der Matrix einen zweiten adressierbaren Eingang haben, können die zweiten adressierbaren Eingänge mehrerer (und vorzugsweise aller) Spalten gleichzeitig adressiert werden.
Die zweiten adressierbaren Eingänge können so angeordnet sein, daß sie über Demultiplexer Daten von einer kleineren Vielzahl n paralleler Datenleitungen empfangen. Die Demultiplexer können wahlweise betreibbare Mehrzahlen n von Zwischenspeichern enthalten, um parallel Daten von den Eingangsleitungen zu empfangen. In diesem Fall kann der wahlweise Betrieb der Zwischenspeicher übergangen werden, so daß die Daten zwischengespeichert und allen Spalten gleichzeitig zugeführt werden. Dies kann nützlich sein, wenn die Matrix ausgetastet wird usw.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 97304638.6 (Sharp) bezieht sich auf einen räumlichen Lichtmodulator oder auf eine Anzeige mit Zeilen und Spalten von Bildelementen, in der sowohl die Zeilen als auch die Spalten durch rekonfigurierbare Schieberegister abgetastet werden. Die den eigentlichen Registern zugeordnete Logik ist so beschaffen, daß die Dicke eines ihnen entlang übergebenen Tokens, d. h. die Anzahl der Zeilen oder Spalten, die gleichzeitig adressiert werden, lokal geändert werden kann, wodurch die lokale Auflösung der Anzeige geändert werden kann. In einer solchen Anordnung sind die Zeilen oder Spalten, die gleichzeitig adressiert werden, notwendig angrenzend, wobei es keine Möglichkeit gibt, irgendeine Zeile oder Spalte anders als durch die normale Abtastoperation der Register wahlweise zu adressieren.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 88202941.6 bezieht sich auf eine Matrixanzeigevorrichtung, in der Paare aufeinanderfolgender Zeilen in der Weise beschrieben werden können, daß sie die gleichen Bildinformationen enthalten, so daß ein Bruch in einem Leiter in einer Zeile dadurch behoben werden kann, daß Informationen aus der vorangehenden Zeile vorverlegt werden. Wieder ist die gleichzeitige Adressierung auf angrenzende Zeilen beschränkt, während die Zeilen nicht unabhängig von der Abtastaktion ausgewählt werden können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung können aus einer Betrachtung der angefügten Ansprüche, auf die der Leser verwiesen wird, und aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung abgeleitet werden, die mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung gegeben wird, in der:
1 in einer schematischen Querschnittsansicht eine Flüssigkristallzelle zeigt, die eine Aktivrückwand enthält und in ein Substrat eingebaut ist;
2 eine Explosionsdarstellung der Komponenten der Flüssigkristallzelle aus 1 ist;
3 ein schematischer Blockschaltplan ist, der eine Schaltungsanordnung zeigt, die der Flüssigkristallzelle aus 1 eng zugeordnet ist;
4 eine schematische Draufsicht (ein Grundriß) der Aktivrückwand der Flüssigkristallzelle aus 1 ist, die eine zentrale Bildelementmatrix enthält;
5 eine schematische Querschnittsansicht eines Teils der Rückwand aus 4 ist, die die verschiedenen Lagen und Höhen zeigt, die in dem Gebiet der Bildelementmatrix anzutreffen sind;
6 eine schematische Draufsicht eines einzelnen Bildelements der Matrix der Rückwand aus 4 ist;
7 und 7a Signalformdiagramme sind;
8 ein schematischer Stromlaufplan ist, der einen Teil der Steuerschaltungen aus 4 zeigt;
9 ein schematischer Stromlaufplan ist, der einen Teil der Spaltentreiber aus 4 zeigt;
10 ein schematischer Stromlaufplan ist, der einen Teil der Zeilenabtasteinrichtungen aus 4 zeigt;
11 eine Abwandlung der Schaltung aus 9 zum Erhöhen der Anzahl der adressierten Spalten zeigt;
12 Abwandlungen von 10 zum Erhöhen der Anzahl der adressierten Zeilen zeigt;
13 Signalformen zeigt, die zur Erläuterung eines Ein-Durchgangs-Bildschreibschemas verwendet werden; und
14 bis 16 Signalformen zeigen, die zur Erläuterung von Zwei-Durchgangs-Bildschreibschemata verwendet werden; und
17 Signalformen zur Erläuterung einer Abwandlung des Schemas aus 14 zeigt.
1 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht eine in ein Dickfilm-Aluminiumoxid-Hybridsubstrat oder in einen Chip-Träger 2 eingebaute Flüssigkristallzelle 1 mit Drähten 16, die von der Zelle zu den Anschlußflächen 17 auf dem Träger verlaufen. In 2 ist die Zelle 1 in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Die Verwendung eines Hybridsubstrats zum Einbau elektrooptischer Vorrichtungen ist ausführlicher in der gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/GB99/04285 (Ref: P20960W0) der Erfinder diskutiert.
Die Zelle 1 umfaßt eine Siliciumaktivrückwand 3, in der ein zentrales Gebiet ausgebildet ist, das eine Matrix 4 aktiver Spiegelbildelemente bereitstellt, die in 320 Spalten und 240 Zeilen angeordnet sind. Außerhalb der Matrix, jedoch von den Rändern der Rückwand 3 beabstandet, befindet sich eine Umfangsklebedichtung 5, die die Rückwand 3 gegenüber dem Umfangsgebiet einer vorderen Elektrode 6 abdichtet. 2 zeigt, daß die Klebedichtung unterbrochen ist, um die Einführung des Flüssigkristallmaterials in die montierte Zelle zu ermöglichen, wonach die Dichtung entweder durch weiteres Klebemittel von der gleichen Sorte oder durch irgendein anderes geeignetes Material oder Mittel, das an sich bekannt ist, fertiggestellt wird.
Die vordere Elektrode 6 umfaßt ein allgemein rechteckiges ebenes Glas- oder Silika-Substrat 7, das auf seiner Unterseite, die der Rückwand 3 gegenüberliegt, mit einer ununterbrochenen Indium-Zinn-Oxidlage 8 beschichtet ist, die mit einer elektrisch leitenden Seide abgeschirmt ist. An einer Randseite des Substrats 7 ist ein aufgedampfter Aluminiumrandkontakt 9 vorgesehen, der um den Rand des Substrats und über einen Teil der Lage 8 verläuft und dadurch in der montierten Zelle 1 eine elektrische Verbindung mit der Lage 8 schafft.
Die isolierenden Abstandshalter 25, die auf dem Siliciumsubstrat der Rückwand 3 ausgebildet sind, verlaufen nach oben, um die vordere Elektrode 6 in einem vorgegebenen, genauen und stabilen Abstand von dem Siliciumsubstrat anzuordnen, wobei der auf diese Weise definierte Raum mit Flüssigkristallmaterial gefüllt ist. Wie später beschrieben wird, werden die Abstandshalter 25 und die Rückwand 3 auf dem Siliciumsubstrat gleichzeitig unter Verwendung aller oder wenigstens einiger der gleichen Schritte mit der Ausbildung der Elemente der Aktivrückwand darauf ausgebildet.
3 ist eine schematische Darstellung der Schaltungsanordnung auf der PCB 11, die eng mit dem Betrieb der hier schematisch als Rückwand 3 und vordere Elektrode 6 gezeigten Zelle 1 zusammenhängt. Die Rückwand 3 empfängt über eine Schnittstelle 13 Daten von einem Speicher 12, wobei die Rückwand 3, die vordere Elektrode 6, der Speicher 12 und die Schnittstelle 13 sämtlich der Steuerung eines programmierbaren Logikmoduls 14 unterliegen, das selbst über eine Schnittstelle 15 mit dem Parallelport eines PC gekoppelt ist.
4 zeigt eine allgemeine schematische Ansicht des Entwurfs ("Grundriß") der Aktivrückwand 3. Wie später anhand der 5 und 6 ausführlich beschrieben wird, umfaßt jedes der aktiven Bildelemente der zentralen Matrix 4 im wesentlichen einen NMOS-Transistor mit einem Gate, das mit einem Zeilenleiter aus einer Menge von Zeilenleitern verbunden ist, eine Drain-Elektrode, die mit einem Spaltenleiter aus einer Menge von Spaltenleitern verbunden ist, und eine Source-Elektrode oder ein Gebiet, das entweder die Form einer Spiegelelektrode besitzt oder mit einer Spiegelelektrode verbunden ist. Die hinten angeordnete Spiegelelektrode bildet zusammen mit einem gegenüberliegenden Abschnitt der gemeinsamen vorderen Elektrode 6 und dem dazwischenliegenden chiralen smektischen Flüssigkristallmaterial 20 eine Flüssigkristall-Bildelementzelle, die kapazitive Eigenschaften besitzt.
Die geraden und ungeraden Zeilenleiter sind mit jeweiligen Abtasteinrichtungen 44, 45 verbunden, die an beiden Seiten der Matrix beabstandet sind. Jede Abtasteinrichtung umfaßt einen Pegelschieber 44b, 45b, der zwischen einem Schieberegister 44a, 45a und der Matrix liegt. Im Gebrauch wird ein Token-Signal entlang der Register übergeben, das der Reihe nach einzelne Zeilen freigibt (die zugeordneten Transistoren leitend macht), wobei durch geeignete Steuerung der Register auf Wunsch verschiedene Abtasttypen, z. B. verschachtelt und nicht verschachtelt, ausgeführt werden können.
Die geraden und die ungeraden Spaltenleiter sind mit jeweiligen Treibern 42, 43 verbunden, die von der Oberseite und von der Unter seite der Matrix beabstandet sind. Jeder Treiber enthält einen 32-zu-160-Demultiplexer 42a, 43a, der die Zwischenspeicher 42b, 43b speist, sowie zwischen den Zwischenspeichern und den Spaltenleitern einen Pegelschieber 42c, 43c. Im Gebrauch werden gemäß der Steuerung eines 5-Phasen-Takts Daten aus dem Speicher 12 für aufeinanderfolgende Mengen von 32 ungeraden oder geraden Spaltenleitern von Mengen der Randkontaktierungsanschlußflächen 46, 47 an die Demultiplexer 42a, 43a übergeben und bei 42b, 43b zwischengespeichert, bevor bei 42c, 43c ihr Pegel verschoben wird, um sie den Spaltenleitern als eine Ansteuerspannung zuzuführen. Die Synchronisation zwischen der Zeilenabtastung und der Spaltenansteuerung stellt sicher, daß über die freigegebenen Transistoren einer Zeile die richtige Datenansteuerspannung an die Flüssigkristall-Bildelemente angelegt wird, wobei für diesen Zweck verschiedene Steuerschaltungen 48 und Testschaltungen 48' vorgesehen sind.
Die anschließende Aufhebung der Freigabe dieser Zeile bringt die Transistoren in einen hochimpedanten Zustand, so daß die Ladungen, die den Daten entsprechen, daraufhin während einer ausgedehnten Zeitdauer auf den kapazitiven Flüssigkristall-Bildelementen aufrechterhalten werden, bis die Zeile, beispielsweise entweder zum Schreiben eines weiteren Bildes (oder Neuschreiben des gleichen Bildes) oder zum Stabilisieren des bestehenden Bildes, erneut adressiert wird.
Wie schematisch in 5 gezeigt ist, beruht die Aktivrückwand auf einem p-Siliciumsubstrat 51. In dem Gebiet der Matrix 4 enthält sie die NMOS-Transistoren 52, die Bildelementspiegel 53 und die isolierenden Abstandshalterspalten 25, wobei das Substrat 51 zunächst von einer unteren, im wesentlichen ununterbrochenen Siliciumoxid lage 57 und daraufhin von einer oberen, im wesentlichen ununterbrochenen Siliciumoxidlage 58 bedeckt ist. Außerhalb des Gebietes der Matrix 41 sind isolierende Stege ausgebildet, die ähnlich wie die Abstandshalter konstruiert sind und eine ähnliche Höhe besitzen. Die Funktion der isolierenden Säulen und Stege besteht darin, einen konstanten und genauen Abstand zwischen der vorderen Elektrode 6 und dem Siliciumsubstrat 51 sicherzustellen, um Kurzschlüsse zwischen der Rückwand und der vorderen Elektrode zu vermeiden und eine elektrische und optische Gleichförmigkeit und das elektrische und optische Verhalten in der Flüssigkristall-Bildelementmatrix bereitzustellen.
Es wird angemerkt, daß 5 lediglich enthalten ist, um die verschiedenen Höhen zu erläutern, die in der Rückwand anzutreffen sind, während die weiteren räumlichen Anordnungen der Elemente nicht denen entsprechen, die in der Praxis anzutreffen sind. 6 zeigt eine Draufsicht einer tatsächlichen Anordnung des Transistors und der Spiegelelektrode, die allgemein ähnlich der aus 5 ist, wobei aber die Spalte 25 nicht gezeigt ist. Die Transistoren 52 sind der höchste Teil der Schaltungsanordnung selbst.
Außer durch diese Lagen ist der Transistor 52 ferner durch eine Metall-Gate-Elektrode 59 auf der Lage 57 und durch eine Metall-Drain-Elektrode 60 auf der Lage 58 definiert. Die Elektroden 59 und 60 sind mit einem Zeilenleiter 61 bzw. mit einem Spaltenleiter 62 verbunden. In dem Transistor 52 ist die Lage 57 abgeändert, so daß sie ein Polysiliciumgebiet 56 enthält, das durch eine sehr dünne Gate-Oxidlage 55 von dem Substrat 51 beabstandet ist.
Die Transistor-Source besitzt die Form eines großen Diffusionsgebiets 63 in der Lage 58, das mit der Elektrode 65 des Bildelementspiegels 53 verbunden ist, wobei sich das Gate-Gebiet 64 im wesentlichen unter dem Übergangsgebiet der Spalten- und Zeilenleiter 61, 62 befindet, um den Füllfaktor zu minimieren und es vor auffallendem Licht zu schützen.
Der Bildelementspiegel ist durch die Bildelementelektrode 65 auf der Lage 58 ausgebildet, wobei die Elektrode aus dem gleichen Material besteht und gleichzeitig mit der Drain-Elektrode 60 ausgebildet wird. Unter dem größten Teil der Spiegelelektrode 65 ist in dem Substrat 51 ein Verarmungsgebiet 66 ausgebildet. In der montierten Vorrichtung sind die Bildelementelektroden um etwas weniger als 2 Mikrometer von der gegenüberliegenden vorderen Elektrode beabstandet, wobei das smektische Flüssigkristallmaterial 20 dazwischenliegt.
Da es keine darunterliegenden diskreten Schaltungselemente gibt, ist der Bildelementspiegel im wesentlichen eben und belegt einen Anteil (Füllfaktor) von etwa 65% der Bildelementfläche. Die Notwendigkeit, den Füllfaktor zu maximieren, ist ein Gesichtspunkt bei der Entscheidung, anstelle einer Rückwand vom SRAM-Typ, in der mehr Raum für die zwei Transistoren und ihre zugeordneten Elemente verwendet werden muß, eine Rückwand vom DRAM-Typ zu verwenden.
Über der Topologie des Rests der Rückwand 21 verläuft eine isolierende Spalte oder Säule 25, die jedem Bildelement zugeordnet ist, die aber außerdem die Lagen 57, 58 über dem Substrat 51 mit einem ersten Metallfilm 67 zwischen den Lagen 57, 58 und einen zweiten Metallfilm 68 zwischen der Lage 58 und (im Gebrauch) der vorderen Elektrode 22 enthält. Der erste und der zweite Metallfilm 67, 68 ent halten die gleichen Metalle und werden gleichzeitig wie die Elektroden 59, 60 des Transistors 52 abgeschieden. In dem Gebiet der Abstandshalter ist das Substrat abgeändert, um eine Feldoxidlage 69 bereitzustellen, während die Unterseite der Lage 57 abgeändert ist, um zwei Polysiliciumlagen 70, 72 bereitzustellen, die durch eine dünne Oxidlage 71 beabstandet sind.
Obgleich der Abstandshalter Metallagen enthält, schafft er eine gute Isolation zwischen der vorderen Elektrode und der Aktivrückwand. Dadurch, daß die isolierenden Abstandshalter auf diese Weise ausgebildet werden, können sie in bezug auf die anderen Elemente auf der Rückwand genau angeordnet werden, wodurch irgendeine Störung bei den optischen oder elektrischen Eigenschaften vermieden wird, wobei sich dadurch, daß sie gleichzeitig mit den aktiven und weiteren Elementen der Rückwand unter Verwendung der gleichen Prozesse erzeugt werden, Vorteile hinsichtlich Kosten und Effizienz ergeben.
Wie oben erwähnt wurde, besitzt eine auf diese Weise ausgebildete Bildelementzelle eine Kapazität. Chirale smektische Flüssigkristallmaterialien sind Ferroelektrika, so daß das Anlegen eines elektrischen Feldes, das ausreicht, die Wiederausrichtung der Moleküle zu bewirken, mit einer zusätzlichen Übertragung von Ladung verknüpft ist. Diesem Effekt ist insofern eine Zeitkonstante zugeordnet, als es eine Zeit dauert, bis sich das Flüssigkristallmaterial wiederausrichtet.
Die Anforderung, daß während der Wiederausrichtung eine Ladung fließt, sowie die zugeordnete Zeitkonstante besitzen eine Anzahl von Folgen. Insbesondere kann die Wiederausrichtung, obgleich sie verhältnismäßig schnell ist, immer noch wesentlich kleiner sein als das, was für die schnelle Abtastung der Vorrichtung erforderlich ist.
Bei einer Rückwand vom SRAM-Typ wird der Zustand eines Bildelements bis zur nächsten Adresse sowie mit der Leistung, die von einem Busstrom zugeführt werden kann, bis die Wiederausrichtung abgeschlossen ist, aufrechterhalten. Allerdings wird die Leistung bei einer Rückwand vom DRAM-Typ jedem Bildelement lediglich während der Adressierungszeitdauer zugeführt. Die Kapazität der Zelle ist verhältnismäßig klein und kann keine ausreichende Ladung für den Abschluß der Wiederausrichtung erhalten.
Ein Verfahren zur Behandlung dieses Problems besteht darin, jedes Bildelement mit einer zusätzlichen "Slug"-Kapazität zu versehen, die schnell geladen wird, wenn das Bildelement adressiert wird, wobei ihre Ladung anschließend verbraucht wird, während sich die Flüssigkristallmoleküle wiederausrichten und nachfolgende Bildelemente adressiert werden. Somit vermeidet die Slug-Kapazität effektiv die Notwendigkeit eines Adressierungsimpulses, der so lang wie die Wiederausrichtungszeit ist.
In 5 bildet die Diffusionslage 66 im Gebrauch eine in Sperrichtung vorgespannte Diode, deren Verarmungsgebiet als Slug-Kapazität wirkt.
Der in der Ausführungsform verwendete smektische Flüssigkristall besitzt eine monostabile Ausrichtung, so daß es wesentlich ist, die Ladungsableitung zu begrenzen, damit das Bildelement vom DRAM-Typ in dem geschalteten Zustand verbleibt, bis es das nächste Mal adressiert wird. In gewissem Sinn ist die Tatsache, daß es während der Wiederausrichtung eine zusätzliche Ladungsverschiebung gibt, hilfreich, da der Betrag der Ladungsableitung, der die Relaxation in den Ausgangszustand ermöglicht, verhältnismäßig groß ist.
Anders als bei einem herkömmlichen gekapselten Computer-DRAM kann Beleuchtungslicht in die Rückwand eindringen. Falls es empfindliche Elemente erreicht, kann die Photoleitfähigkeit die Relaxation des Bildelements in weniger Zeit als der Abtastzeitdauer ermöglichen, wobei nicht zugelassen werden sollte, daß dies geschieht. Somit müssen Schritte unternommen werden, um (a) das Einringen von Licht auf empfindliche Elemente so weit wie möglich zu verringern; und (b) die Wirkungen irgendwelches Lichts, das dennoch immer noch eindringt, zu mildern.
In den 5 und 6 ist der Schritt (a) insofern implementiert, als sich der Transistor 52 und insbesondere sein Gate-Gebiet im wesentlichen unter den Metalleitern 60, 61 befindet und die durch das Gebiet 66 vorgesehene Diode, die besonders lichtempfindlich ist, zum größten Teil durch die Spiegellage 65 verborgen ist. Weitere Einzelheiten in bezug auf die Slug-Kapazität und auf das Vermeiden von Photoleitfähigkeits-Elementen sind zu finden in der gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/GB99/04279 (Ref: P20960W0) der Erfinder.
Obgleich der Füllfaktor von 65% in den Anordnungen der 1 bis 6 ausreichend hoch ist, um annehmbar zu sein, ist das Reflexionsvermögen der Spiegelelektrode nicht optimiert, da ihr Material gleich dem ist, das bei der Herstellung der aktiven Elemente der Rückwand verwendet wird.
Es ist die normale Fraxis der Halbleiterhersteller, Rückwände mit einer ununterbrochenen oberen Isolierlage zu liefern, die über der gesamten Ebene abgeschieden ist, wobei diese Isolierlage entfernt werden muß oder von vornherein vermieden werden muß, daß sie aufgetragen wird, um die Anordnungen der vorausgehenden Figuren herzustellen.
Allerdings können der Füllfaktor und das Reflexionsvermögen der Spiegelelektrode unter Verwendung der teilweisen oder vollständigen Planarisierung der Rückwand erhöht werden.
Bei der Teilplanarisierung wird die obere Isolierlage erhalten, allerdings mit Kontaktlöchern, die zu den darunterliegenden Elektrodenanschlußflächen 65 verlaufen, die klein sein können, da sie nicht mehr als Spiegel wirken. Über dem größten Teil der Bildelementfläche ist eine jeweilige hochreflektierende Spiegelbeschichtung abgeschieden, die mit ihrem Kontaktloch verbunden ist.
Diese Konstruktion besitzt unter anderem die Vorteile eines hohen Füllfaktors; einer hochreflektierenden Spiegelelektrode; und eines verringerten Eindringens von Licht in das darunterliegende Halbleitermaterial. Während die isolierenden Spalten und Stege bevorzugt erhalten werden, um die vordere Elektrode in bezug auf die Rückwand zu halten und zu beabstanden, so daß der Füllfaktor etwas verringert wird, umfassen diese nun die zusätzliche obere Isolierlage. Der einzige Schritt nach der Herstellung ist das Abscheiden des reflektierenden Spiegelmaterials. Es wird angemerkt, daß das letztere wegen der darunterliegenden Struktur der Rückwand nicht so eben wie zuvor ist.
Die vollständige Planarisierung ist ein bekannter Prozeß, in dem die Topologie der Rückwand dadurch, daß sie mit einem Isoliermaterial, z. B. mit einem Polymer, gefüllt wird, effektiv entfernt wird. Dies kann wieder an der vorhandenen Rückwand mit oder ohne die bei der Herstellung eingeführte obere Isolierlage und mit sehr ebenen hochreflektierenden Spiegelelektroden, die über jedem Bildelement mit einem hohen Füllfaktor abgeschieden werden, implementiert werden. Obgleich das Produkt die gleichen Vorteile wie die Teilplanarisierung besitzt und eine bessere Leistung haben kann, umfaßt seine Produktion durch vorhandene Technologien aber eine Anzahl von Schritten nach der Herstellung, von denen einige (wie etwa das Sicherstellen der Ebenheit des Isoliermaterials) nicht leicht oder effizient auszuführen sind, so daß es im Moment nicht bevorzugt wird.
Das chirale smektische Flüssigkristallmaterial erhält auf einem oder auf beiden Substraten mit an sich bekannten Mitteln eine gewünschte Oberflächenausrichtung. Im Fall der Halbleiteraktivrückwand erfolgt die Behandlung der Teil- oder Vollplanarisierungslage, wenn sie vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung Die bisher beschriebene Ausführungsform besitzt eine rechteckige Bildelementmatrix aus 320 Spalten und 240 Zeilen, wobei die Spalten durch parallele Datenleitungen gespeist werden, während die Zeilen ihrerseits in einer gewünschten Folge freigegeben werden, um die empfangenen Daten zu empfangen oder zu bearbeiten. Die Matrix besitzt in jeder Richtung die halbe Standard-VGA-Auflösung. Es wäre wünschenswert, die Auflösung der Matrix auf den VGA-Standard zu erhöhen, wobei dies später in bezug auf eine Abwandlung beschrieben wird.
Je nach der Art und Weise, in der sie angesteuert wird, und dem Wert der angelegten Spannung kann die vorliegende Ausführungsform eines räumlichen Lichtmodulators aus smektischen Flüssigkristallen mit einer Linienrate von wenigstens 10 MHz und mit einer Bildwiederholrate von bis zu 15 bis 20 kHz angesteuert werden, was eine Dateneingabe von etwa 1 bis 1,5 GPixel pro Sekunde erfordert. Obgleich die Bildelement-Adressierungszeit etwa 100 Nanosekunden beträgt, dauert es typischerweise etwa 1 bis 5 Mikrosekunden, bis das Bildelement zwischen den optischen Zuständen schaltet; außerdem beträgt die Schreibzeitdauer von Teilbild zu Teilbild etwa 80 Mikrosekunden, obgleich die Gesamtteilbild-Schreibzeit in der Größenordnung von 24 Mikrosekunden liegt.
Die Ungleichheit zwischen der tatsächlichen Bildwiederholfrequenz des räumlichen Modulators und der potentiellen Bildwiederholfrequenz der Matrix (etwa 80 kHz), wie sie durch die Linienfrequenz bestimmt ist, entsteht aus einer Vielzahl von Faktoren wie etwa der Zeit, die es dauert, die Bildelemente vollständig zu schalten (die wesentlich größer als die Linien- oder Bildelement-Adressierungszeit ist), wobei während dieser Zeit aus der Zellenkapazität und aus der Slug-Kapazität Ladung gezogen wird; der Notwendigkeit, die Matrix auszutasten, um einen Gleichspannungsabgleich durchzuführen; und den optischen Zugriff auf den räumlichen Lichtmodulator zwischen dem Schreiben aufeinanderfolgender Teilbilder.
Ein Master-Takt arbeitet mit 50 MHz. Von den Master-Taktimpulsen CL werden auf bekannte Weise die in den 7 und 7a gezeigten Signalformen NTE, NTO, NISE, NISO, NC0 bis NC4 abgeleitet. Das Anfangs-"N" gibt die Verwendung einer negativen Logik an, in der die Signale im tiefen Zustand aktiv sind. Wo sie verwendet werden, haben die Inversen dieser Signale abzüglich des ersten "N" die gleiche Terminologie. Die letzten Buchstaben "E" und "O" beziehen sich auf gerade und ungerade, angewendet auf die Zeilen oder Spalten der Matrix.
8 erläutert Teile der Steuerschaltungen 48 aus 4. Hierbei gibt es weitere Signale NSAR und NRAR zum Setzen aller Zeilen (zum Austasten der Matrix) bzw. zum Zurücksetzen aller Zeilen (um ein Neuschreiben der Matrix zu ermöglichen).
8(a) zeigt die Ableitung von 5 nicht überlappenden Takten (N)CC0 bis (N)CC4 mit der Linienfrequenz von 10 MHz aus den Signalen NC0 bis NC4, wenn das Signal NSAR inaktiv ist, zur Verwendung beim Steuern der Spaltentreiber 42, 43.
Wie bereits in bezug auf 4 angegeben wurde, wird eine Gruppe von 32 ankommenden parallelen Datenleitungen durch den Treiber 42 auf der Oberseite der Matrix 1 : 5 auf die 160 geraden Spalten demultiplexiert, während durch den Treiber 43 am Fuß der Matrix eine komplementäre Gruppe von 32 ankommenden parallelen Datenleitungen auf die 160 ungeraden Spalten 1 : 5 demultiplexiert wird. Ansonsten sind die Treiber 42 und 43 ähnlich angeordnet.
9 zeigt eine von 32 ähnlichen Schaltungen des Treibers 42, jeweils für eine jeweilige einzelne Spalte in der ersten Menge von 32 geraden Spalten. Während der aktiven Periode des Takts NCC0 wird ein Datensignal DD von einem Eingang 131, der mit jeweils einer der 32 Eingangsdatenleitungen gekoppelt ist, durch das Gatter 132 übertragen und auf dem Gate-Kondensator eines Inverters 133 gehalten, bis ein durch den Taktimpuls NCC4 gesteuertes Gatter 134 das Signal zu einem Zwischenspeicher 135 durchzulassen ermöglicht. Der Zwischenspeicher 135 ist bistabil und enthält im wesentlichen zwei Inverter, die über ein weiteres Gatter 136, das ebenfalls durch den Gate-Impuls CC4 gesteuert wird, in einem Ring gekoppelt sind, so daß der Ring geöffnet wird, wenn das Signal über das Gatter 134 zu dem Zwischenspeicher übertragen wird, während er danach geschlossen wird, um das Signal an dem Zwischenspeicherausgang zu halten. Der Ausgang des Zwischenspeichers ist über einen Pegelschieber 137 und zwei in Serie geschaltete Puffer 138 mit dem Spaltenleiter verbunden.
Diese Gesamtanordnung für die erste Menge von Spaltenleitern ist für die verbleibenden vier Mengen wiederholt, wobei die gleichen 32 Eingangsdatenleitungen, jedoch mit jeweils anderen Taktsignalen NCC1 bis NCC4 an dem ersten Gatter 132, entsprechend wiederholt sind. Die an die Gatter 134 und 136 angelegten Signale bleiben als NCC4 und CC4, so daß die Datensignale für eine gesamte Linie als Antwort auf das Signal NCC4 gleichzeitig an alle 320 Spalten angelegt und bis zum nächsten Impuls NCC4 daran aufrechterhalten werden.
Wenn NSAR aktiv ist, übergeht es die Taktimpulse NCC0 bis NCC4 und macht alle 320 Spalten für die 64 Dateneingangsleitungen gleichzeitig verfügbar.
8(b) zeigt die Ableitung von 5 nicht überlappenden Takten (N)CR0 bis (N)CR4 mit der Linienfrequenz von 10 MHz aus den Signalen NC0 bis NC4, wenn das Signal NISE oder NISO inaktiv ist, zur Verwendung beim Steuern der Zeilentreiber 44, 45.
Wie bereits anhand von 4 beschrieben wurde, werden durch die jeweiligen Abtasteinrichtungen 44, 45, die jeweils ein Schieberegister mit zugeordneten Pegelschiebern an ihren Ausgängen oder 120 angrenzende Ausgänge davon enthalten, die geraden und ungeraden Zeilen der Matrix angesteuert (freigegeben). Jede Stufe der Schieberegister ist vollständig bistabil und wird durch die Taktimpulse NCR0, NCR2 und NCR4 gesteuert. Zu Beginn jedes Teilbilds wird ein einzelner Token-Impuls NTE, NTO in die erste Stufe des jeweiligen Schieberegisters gekoppelt und daraufhin je nach dem geforderten Typ der Abtastung auf die geforderte Weise die Register entlang getaktet.
10 zeigt eine einzelne Stufe der ungeraden Zeilenabtasteinrichtung 44 der bevorzugten Ausführungsform, die eine zugeordnete Pegelschiebereinheit 141 des Pegelschiebers 44b enthält, die zwischen eine einzelne Stufe 140 des Schieberegisters 44a und zwei Puffer 149 geschaltet ist. Die gerade Zeilenabtasteinrichtung 45 ist auf ähnliche Weise angeordnet.
Die Stufe 140 umfaßt ein Paar invertierende Logikgatter 143, 144, die über ein Transfergatter 145 in einem Ring gekoppelt sind. Der Eingang 142 des Logikgatters 143 ist üblicherweise mit dem Ausgang des Gatters 145 und mit dem Ausgang eines Transfergatters 146 gekoppelt, das den Empfang des Ausgangssignals 147 (Token-NTE) von einer vorausgehenden Stufe in dem Register bewirkt. Die Gatter 145 und 146 werden jeweils durch die inversen Taktsignale NCR0 und CRO freigegeben, wodurch der Ring unterbrochen wird, während das Signal vom Transfergatter 146 an den Eingang des Gatters 143 übergeben wird, während er anschließend neu gebildet wird, um das Inverse des empfangenen Signals an einem Ausgangspunkt 148 aufrechtzuerhalten.
Die Gatter 143', 144', 145' und 146' sind auf ähnliche Weise wie die Gatter 143 bis 146 angeordnet und wirken ähnlich, jedoch in Reaktion auf die Taktimpulse NCR4, CR4, wodurch das Inverse des Signals am Punkt 148 am Ausgangspunkt 148' gehalten wird, wobei durch die Schaltung 141 sein Pegel verschoben wird und es an die jeweilige Zeile gesendet wird. Somit wird in Reaktion auf das Signal NCR4 jede Zeile der Reihe nach freigegeben.
Jedes der Gatter 143, 144 und 144' ist ein NAND-Gatter mit zwei Eingängen, während das Gatter 143' ein NAND-Gatter mit 3 Eingängen ist. Das zweite Eingangssignal in die Gatter 143 und 144' ist das Signal NSAR, während das zweite Eingangssignal in die Gatter 143' und 144 das Signal NRAR und das dritte Eingangssignal in das Gatter 143' ein Signal NCR2' ist. Wenn die Signale NSAR, NRAR und NCR2' inaktiv sind, wirken die Gatter als Inverter, wobei die Ringe bistabil sind.
Das Signal NCR2' wird wie in 8(c) gezeigt abgeleitet. Es ist ähnlich dem Signal NCR2, wird aber übergangen, wenn das Signal NSRR aktiv ist. Wenn NSAR inaktiv ist, besteht die Wirkung des Taktsignals NCR2 darin sicherzustellen, daß der zweite Ring zurückgesetzt wird, wobei die Freigabe der Zeile aufgehoben wird, bevor die folgende Zeile freigegeben wird, was somit sicherstellt, daß die Datenzufuhr zu einer einzelnen Zeile erfolgt und daß es keine Überlappung der gleichen Daten zwischen den Zeilen geben kann.
Das Steuersignal NSAR bewirkt, daß die Freigabe des Signals NCR2' aufgehoben wird und daß alle Ausgänge des Registers gesetzt (zwi schengespeichert) werden, wodurch alle Zeilen in der zu Beginn dieses Abschnitts beschriebenen Weise für die Austastung freigegeben werden. Anschließend bewirkt das Steuersignal NRAR, daß alle Zeilen wieder ausgeschaltet werden. Somit übergeht das Signal NSAR den normalen Betrieb der Schieberegister.
Somit ist die Wirkung des Signals NSAR, (a) die Spaltentakte NCC0 bis NCC4 zu übergehen, so daß allen fünf Mengen von Spalten gleichzeitig Daten von den 64 Dateneingängen zugeführt werden, und (b) die Freigabe des Taktimpulses NCR2' und des normalen Betriebs des Registers aufzuheben und alle Zeilen zwischenzuspeichern. Dies ermöglicht, daß die gesamte Matrix der Bildelemente gleichzeitig ausgetastet wird.
Wenn nicht zuerst die Token NTO und NTE eingeführt werden, sind die Signale NISE und NISO komplementär. Wenn sie aktiv sind, besteht ihre Wirkung darin, die Erzeugung der Zeilentaktimpulse (N)CR0 bis (N)CR4, 8(b), zu sperren. Auf diese Weise ist zu einem Zeitpunkt lediglich eines der Schieberegister 44a, 44b aktiv, was ermöglicht, die Art und Weise zu steuern, in der die Token entlang der Zeilen weitergegeben werden. Falls NISE und NISO, wie gezeigt ist, beispielsweise in der Weise abgeleitet werden, daß sie die halbe Linienfrequenz haben, werden die Register abwechselnd freigegeben, um entlang der Matrix eine progressive oder nichtverschachtelte Linienabtastung zu ermöglichen. Eine Alternative würde darin bestehen, die Signale NISE und NISO in Form von Impulsen mit der halben Teilbildadressen-Zeitdauer zu liefern, so daß das eine Register vollständig abgetastet wird, während daraufhin das andere Register vollständig abgetastet wird, so daß eine verschachtelte Abtastung geliefert wird.
Es sind weitere Betriebsarten möglich, wobei beispielsweise eine angrenzende ungerade und gerade Zeile gleichzeitig freigegeben werden, was die doppelte Bildwiederholrate, jedoch die halbe vertikale Auflösung, ergibt.
Obgleich die Schieberegisterstufen in dieser Ausführungsform in der Weise angeordnet sind, daß sie eine direkte Reaktion auf die Signale NSAR und NRAR liefern, ist klar, daß zwischen den Registern und den Zeilen alternative Mittel als getrennte Entität, beispielsweise ein ODER-Gatter für NSAR und ein UND-Gatter für NRAR, die zwischen einem Registerausgang und der zugeordneten Zeile in Serie geschaltet sind, vorgesehen sein könnten.
VGA-Auflösung In einer Abwandlung der vorliegenden Ausführungsform sind der einzelne Bildelementspiegel und das aktive Element durch eine Gruppe von vier (zwei mal zwei) mit einer entsprechenden Verdopplung der Zeilen- und Spaltenadressenleitungen ersetzt. Zur Anpassung an die Verdopplung der Adressenleitungen sind die Spaltentreiber und Zeilenabtasteinrichtungen in jeder Dimension mit 1 : 2-Demultiplexern versehen.
Die Spaltenschaltungen sind lediglich hinsichtlich der Anzahl verdoppelt, wobei jedes Paar mit komplementär angesteuerten Steuereingängen 152, 153, wie schematisch in 11 gezeigt ist, abwechselnd durch die Transfergatter 150, 151 freigegeben wird.
Die 12a bis 12c zeigen drei mögliche Schaltpläne für die Zeilenabtasteinrichtungen. In dem bevorzugten Schaltplan aus 12a sind die Logikgatter 160, 161 zwischen dem Ausgangspunkt 148' und den jeweiligen Pegelschiebern 141 und Puffern 149 angeordnet. Die zweiten Eingänge 162, 163 der Gatter werden auf komplementäre Weise angesteuert, um entweder das obere oder das untere Paar der Bildelemente (RW und RL) freizugeben.
Wie schematisch in den 12b und 12c gezeigt ist, kann die Demultiplexierung allerdings nach dem Pegelschieber 141 bzw. bei den Gattern 164, 165 zwischen den Pegelschiebern 141 und den letzten Ausgangsstufen 149' oder bei den Gattern 166, 167, die ebenfalls die letzte Ausgangsstufe bilden, ausgeführt werden.
Es ist klar, daß durch geeignete Steuerung der Signale 152 und 153 und/oder 162 und 163 verschiedene weitere Betriebsarten des Beschreibens der Matrix, beispielsweise 4 : 1-Zeilenverschachtelungsschemata, möglich sind.
In dieser Abwandlung ist das Verhältnis der Spiegelfläche zur Bildelementfläche verringert, wobei darauf geachtet werden muß, daß die darunterliegenden aktiven Elemente vor auffallendem Licht abgeschirmt werden. Das Verhältnis der Bildelement-Gesamtkapazität zur Flüssigkristallzellen-Kapazität ist ebenfalls von 10 : 1 auf 8,4 : 1 etwas verringert. Dennoch wird die Abwägung mit erhöhter Auflösung insgesamt nicht als nachteilig betrachtet.
Betrieb Räumliche Lichtmodulatoren schaffen Möglichkeiten sowohl in der optischen Verarbeitung, beispielsweise in Holographie- und Schaltanwendungen, wo die Anforderungen in bezug auf Faktoren wie etwa Zeitgebungen, Stetigkeit der Beleuchtung, Länge der Betrachtung usw. üblicherweise sehr streng sind. Demgegenüber erfordert die meiste optische Verarbeitung lediglich eine Binärmodu lation über die Bildebene.
Für Anzeigezwecke ermöglichen die Akkommodation und die zeitliche Mittelung durch das Auge einen größeren Spielraum in bezug auf die vorstehenden Faktoren, wobei aber sehr häufig eine Graustufenmodulation über die Fläche der Anzeige bereitgestellt werden muß.
Teilweise durch die Vielseitigkeit, die durch die Konstruktion der Aktivrückwand ermöglicht wird, gibt es viele Arten, in denen der räumliche Lichtmodulator der bevorzugten Ausführungsform angesteuert werden kann.

(a) Binär/Graustufe Somit gibt es beispielsweise eine Wahl zwischen Binär- und Graustufenmodulation. Die Graustufenmodulation selbst kann entweder auf analoge Weise durch geeignete Steuerung der über jedes Bildelement angelegten Amplitudenspannung (vergleiche den zuvor erwähnten elektroklinen Effekt) erzielt werden, wobei die Matrix für Anzeigezwecke aber vorteilhaft einer zeitlichen Modulation ausgesetzt wird, um eine offensichtliche Graustufe zu erzeugen. Noch vorteilhafter wird die Matrix auf diese Weise auf einer digitalen Grundlage angesteuert. Dieser Aspekt ist ausführlicher in den gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldungen PCT/ GB99/04260 und PCT/GB99/04277 der Erfinder erfaßt.
(b) Mehrfachauffrischen Das Flüssigkristallmaterial kann wieder eine Relaxationszeit, die ausreicht, um die gewünschte Zeit zwischen der Produktion auffassender Bilder abzudecken, besitzen oder nicht besitzen. Wo das nicht der Fall ist, muß das Bild mehr als einmal geschrieben werden, um die gewünschte Zeit zu erhalten. Die hohe Schreibgeschwindigkeit, die bei der Ausführungsform verfügbar ist, ist diesbezüglich nützlich, um den Anteil der Gesamtzeit zu erhöhen, in der ein Bild verfügbar ist.
(c) Spannung der vorderen Elektrode Außerdem und umfassend kann das Management der zwischen der gemeinsamen vorderen Elektrode und den Aktivrückwandelementen angelegten Spannung wenigstens auf zwei Arten durchgeführt werden. Unter der Annahme, daß die von der Rückwand verfügbare Gesamtspannung V ist, kann die vordere Elektrode auf V/2 eingestellt werden, wodurch auf Wunsch alle Bildelemente während einer einzelnen Teilbildabtastung ein- oder ausgeschaltet werden können. Der Nachteil ist unter anderem das Anlegen einer niedrigeren Spannung V/2 über jedes Bildelement und längere Schaltzeiten.

Alternativ kann die vordere Elektrode abwechselnd auf V und null angesteuert werden, wobei die Rückwand synchron gesteuert wird, um während der Abtastung eines Teilbilds ausgewählte Bildelemente optisch einzuschalten und während der Abtastung des anderen Teilbilds andere ausgewählte Bildelemente optisch auszuschalten. Die an jedes Bildelement angelegte Spannung ist höher, V, was somit die Schaltgeschwindigkeit erhöht, wobei zum Abschluß der Dateneingabe aber zwei Teilbildabtastungen ausgeführt werden müssen.
Diese zwei Verfahren werden im folgenden als "Ein-Durchgangs-" bzw. "Zwei-Durchgangs-"Verfahren bezeichnet. In der Ausführungsform ermöglicht das Ein-Durchgangs-Schema bei den größten nutzbaren Spannungen eine etwas höhere Bildwiederholrate.
Diese und weitere Betrachtungen wie etwa jene, ob ein Gesamt-Gleichspannungsabgleich erhalten werden soll (und, wenn das der Fall ist, die Zeitdauer, während der der Gleichspannungsabgleich erhalten werden soll) bestimmen genau, wie die räumliche Lichtmodulation betrieben wird.
Ein-Durchgangs-Schema 13 zeigt Spannungssignalformen, die in einem Ein-Durchgangs-Schema verwendet werden können, wenn die Spannung VFE der vorderen Elektrode bei V/2 liegt. Die Spannung Vpad an den Spiegelelektroden der Bildelemente DUP in einer adressierten Leitung, die von aus in ein geschaltet werden sollen, wird von den Spaltenelektroden auf einen Wert V angesteuert, während die Spiegelelektroden für Bildelemente UDP, die von ein in aus geschaltet werden sollen, auf die Spannung null angesteuert werden. Die resultierende Spannung über die Flüssigkristallzelle ist VLC. Das Erregen dauert typischerweise etwa 10 ns, obgleich in der Ausführungsform tatsächlich 100 ns zulässig sind. Damit die Bildelemente tatsächlich schalten, ist eine wesentlich längere Zeitdauer T zulässig, worauf alle Bildelement-Elektrodenspannungen (Vpad) dadurch, daß die Spannung an den Pegelschiebern geändert und unter Verwendung der Signale NSAR und NRAR entweder eine zweite Abtast- oder eine Setz/Rücksetz-Operation ausgeführt wird, um, wie in 13a gezeigt ist, alle Bildelementtransistoren an- und auszuschalten, auf die Spannung V/2 zurückgestellt werden. Das Zurückstellen der Bildelemente auf V/2 stellt sicher, daß die Länge des Anlegens des Gleichstroms wohldefiniert und wiederholbar ist.
In den 13a und 13b bezeichnet der Impuls 131 die Auswahl einer einzelnen Zeile, T_L die Zeitdauer zum Laden der Matrix (einschließlich einer Zeitdauer für das Ausregeln des Flüssigkristalls) und T_R die Zeitdauer, während der das Bild gelesen wird, wobei lediglich der Beginn dieser Zeitdauer gezeigt ist. Der Impuls 132 bezeichnet entweder die Auswahl einer einzelnen Zeile während einer zweiten Abtastung oder eine globale Zeilenauswahl für die Setz/Rücksetz-Option.
Die Setz/Rücksetz-Option ist schneller und wird bevorzugt. Obgleich sich die Länge des Anlegens des Gleichstroms an alle Bildelemente von Zeile zu Zeile bei Verwendung der Setz/ Rücksetz-Option wegen der endlichen Zeit, die es dauert, die Matrix zu beschreiben, unterscheidet, ist dies unwesentlich, da die Länge des Anlegens der Gleichspannungsimpulse an das gleiche Bildelement von Teilbild zu Teilbild gleich ist, wobei dies der wichtige Faktor bei Betrachtung des Gleichspannungs-Gleichgewichts ist. Auf jeden Fall wird der Transistor anschließend ausgeschaltet, was die elektrostatische Stabilisierung ermöglicht (siehe später).
Da während jeder Teilbildabtastung alle Bildelemente erregt werden, werden Flüssigkristallelemente, die von Teilbild zu Teilbild die gleichen bleiben, wiederholt in der gleichen Richtung angesteuert, was Probleme beim Erhalten eines Gleichspannungs-Gleichgewichts von null verursachen kann.
Außerdem kann das Zurückstellen aller Bildelementelektroden auf V/2 Probleme verursachen, wo die Photoleitung bedeutend ist. In diesem Fall werden bevorzugt alle Bildelementelektroden nach dem Schreiben des Teilbilds, wie in 13b gezeigt ist, synchron zu einem Zurückstellen der Spannung VFE der vorderen Elektrode auf null Volt durchgeschaltet.
Zwei-Durchgangs-Schema 14 zeigt Spannungssignalformen, die in einem Zwei-Durchgangs-Schema über die zwei Teilbild-Abtastzeit räume oder Durchgänge P1 und P2 verwendet werden könnten, die erforderlich sind, um die gesamte Matrix zu beschreiben. In dem ersten Durchgang P1 werden ausgewählte Bildelemente adressiert, um sie optisch einzuschalten, während in dem zweiten Durchgang die Bildelemente P2 adressiert werden, um sie optisch auszuschalten. Für Zeitdauern außerhalb der Durchgänge sind alle Spannungen, optional mit einer Niederpegel-Wechselspannung zur Wechselspannungsstabilisierung der geschalteten Zustände, gleichspannungsmäßig null.
Die graphische Darstellung (i) zeigt die Spannung VFE an der vorderen Elektrode, die lediglich während der Dauer des zweiten Durchgangs P2 auf V Volt erhöht wird.
Die graphischen Darstellungen (ii) und (iii) sind graphische Darstellungen der Spannung Vpad an den Bildelementspiegel-Anschlußflächen, die EIN- bzw. AUS-geschaltet werden. Während des ersten Durchgangs kann irgendeine Schaltfläche von null Volt auf V Volt geschaltet werden. Zwischen den zwei Durchgängen wird eine erste globale Austastung BV angelegt, um alle Spiegelanschlußflächen auf V Volt anzusteuern. Während des zweiten Durchgangs kann irgendeine Schaltfläche von V Volt auf null Volt geschaltet werden. Am Ende des zweiten Durchgangs wird eine zweite globale Austastung B0 angelegt, um alle Schaltflächen auf null Volt anzusteuern. Die Austastungen BV und B0 werden im wesentlichen synchron zum Schalten der zweiten Elektrode angelegt.
Die graphische Darstellung (ii) zeigt die Spannung an einer Anschlußfläche für ein ausgewähltes Bildelement, das während der Zeilenabtastung des ersten Durchgangs eingeschaltet werden soll, so daß, wie in der graphischen Darstellung (iv) gezeigt ist, über das zugeordnete Flüssigkristallelement ein Impuls mit einer positiven Potentialdifferenz geliefert wird. Nach dem ersten Durchgang bewirkt die erste globale Austastung BV im Zusammenhang mit dem Schalten von VFE, daß die Potentialdifferenz über alle Flüssigkristallelemente unabhängig davon, ob sie geschaltet worden sind oder nicht, auf null verringert wird, wobei beide Seiten der Flüssigkristallzellen nun auf V Volt sind.
Die graphische Darstellung (iii) zeigt die Spannung an einer Anschlußfläche für ein ausgewähltes Bildelement, das während der Zeilenabtastung des zweiten Durchgangs ausgeschaltet werden soll, so daß, wie in der graphischen Darstellung (v) gezeigt ist, über das zugeordnete Flüssigkristallelement eine negative Potentialdifferenz geliefert wird. Nach dem zweiten Durchgang bewirkt die zweite globale Austastung B0 im Zusammenhang mit dem Schalten von VFE, daß die Potentialdifferenz über alle Flüssigkristallelemente unabhängig davon, ob sie geschaltet worden sind oder nicht, auf null verringert wird, wobei beide Seiten der Flüssigkristallzellen nun auf null Volt sind.
Irgendein Bildelement, das (als eine Option) während beider Durchgänge nicht adressiert wird, besitzt eine Anschlußflächenspannung, die lediglich auf die Wirkung der Austastungen BV und B0 zurückzuführen ist. BV und B0 sind im wesentlichen synchron zum Schalten von VFE, so daß diese Bildelemente während der gesamten zwei Durchgänge eine Potentialdifferenz null erfahren. In allen Fällen muß die Zeitgebung von BV und B0 in bezug auf VFE so beschaffen sein, daß kein unerwünschtes Schalten der Bildelemente stattfindet.
Obgleich die zwei Durchgänge, wie es bevorzugt ist, in der Weise gezeigt wurden, daß sie sofort aufeinander folgen, ist dies außerdem nicht vollständig notwendig, solange das Schema mit den geforderten Bildelementschaltungen konsistent ist. Beispielsweise könnte es zwischen den Durchgängen eine kleine Verzögerung geben, die ermöglicht, daß die zuletzt adressierten Bildelemente vollständig schalten. In diesem Fall ist es wünschenswert, BV und das Schalten von VFE synchron zum Beginn des zweiten Durchgangs anzulegen.
Zur weiteren Erläuterung zeigt 15 über eine erste und eine zweite Teilbildabtast-Zeitdauer oder über die Durchgänge P1 und P2, die zum Beschreiben der gesamten Matrix erforderlich sind, vereinfachte Spannungssignalformen, die in einem ähnlichen Zwei-Durchgangs-Schema verwendet werden könnten. In P1 werden ausgewählte Bildelemente adressiert, um sie optisch einzuschalten, während in P2 Bildelemente adressiert werden, um sie optisch auszuschalten. Für Zeitdauern außerhalb P1 und P2 sind alle Spannungen, optional mit einem niedrigen Wechselspannungspegel zur Wechselspannungsstabilisierung der geschalteten Zustände, gleichspannungsmäßig null.
Die graphische Darstellung (i) zeigt die Spannung VFE an der vorderen Elektrode, die lediglich während der Dauer von P2 auf V Volt angehoben wird.
Die graphische Darstellung (ii) ist eine allgemeine graphische Darstellung der Spannung Vpad, die an irgendeiner Bildelementspiegel-Anschlußfläche erhalten werden kann. Während einer ersten Zeitdauer A während P1 kann irgendeine Anschlußfläche von null Volt auf V Volt geschaltet werden. Zwischen P1 und P2 wird eine erste globale Austastung BV angelegt, um alle Spiegelanschlußflächen auf V Volt anzusteuern. Während einer Zeitdauer B während der P2 kann irgendeine Anschlußfläche von V Volt auf null Volt geschaltet werden. Am Ende des zweiten Durchgangs wird eine zweite globale Austastung B0 angelegt, um alle Anschlußflächen auf null Volt anzusteuern. Die Austastungen BV und B0 werden synchron zum Schalten der zweiten Elektrode angelegt.
Die graphische Darstellung (iii) zeigt die Spannung an einer Anschlußfläche für ein ausgewähltes Bildelement, das während der Zeilenabtastung von P1 eingeschaltet werden soll, so daß sie über das zugeordnete Flüssigkristallelement, wie in der graphischen Darstellung (iv) gezeigt ist, einen Impuls mit einer positiven Potentialdifferenz liefert. Nach P1 bewirkt die erste globale Austastung BV im Zusammenhang mit dem Schalten von VFE, daß die Potentialdifferenz über alle Flüssigkristallelemente unabhängig davon, ob sie geschaltet worden sind oder nicht, auf null verringert wird, wobei beide Seiten der Flüssigkristallzellen nun auf V Volt sind.
Die graphische Darstellung (v) zeigt die Spannung an einer Anschlußfläche für ein ausgewähltes Bildelement, das während der Zeilenabtastung von P2 ausgeschaltet werden soll, so daß sie über das zugeordnete Flüssigkristallelement, wie in der graphischen Darstellung (vi) gezeigt ist, eine negative Potentialdifferenz liefert. Nach P2 bewirkt die zweite globale Austastung B0 im Zusammenhang mit dem Schalten von VFE, daß die Potentialdifferenz über alle Flüssigkristallelemente unabhängig davon, ob sie geschaltet worden sind oder nicht, auf null verringert wird, wobei beide Seiten der Flüssigkristallzellen nun auf null Volt sind.
Die graphische Darstellung (vii) zeigt den Spannungsimpuls an einer Anschlußfläche für irgendein Bildelement, das (als eine Option) weder während P1 noch während P2 adressiert wird und das lediglich auf die Wirkungen der Austastungen BV und B0 zurückzuführen ist. BV und B0 sind im wesentlichen synchron zum Schalten von VFE, so daß diese Bildelemente während der gesamten zwei Durchgänge die Potentialdifferenz null erfahren. In allen Fällen muß die Zeitgebung von BV und B0 in bezug auf VFE so sein, daß kein unerwünschtes Schalten von Bildelementen stattfindet.
Obgleich P1 und P2 in der Weise gezeigt sind, daß sie unmittelbar aufeinanderfolgen, wie es bevorzugt ist, ist dies außerdem nicht ganz erforderlich, solange das Schema mit den geforderten Bildelementschaltungen konsistent ist. Beispielsweise könnte es zwischen P1 und P2 eine kleine Verzögerung geben, die ermöglicht, daß die zuletzt adressierten Bildelemente vollständig schalten. In diesem Fall wäre es wünschenswert, BV und das Schalten von VFE synchron zu Beginn von P2 anzulegen.
Es ist klar, daß die Anforderung für zwei Durchgänge und das Anlegen der vollständigen verfügbaren Spannung V im Vergleich zu dem einen Durchgang und einer niedrigeren Spannung V/2 (und somit einem langsameren Schalten) des Ein-Durchgangs-Schemas gegenläufige Faktoren sind. Außerdem ist offensichtlich, daß die Folge von P1 und P2 aus 14 oder 15 mit einer daraus folgenden Änderung der Austastprozesse usw. umgekehrt werden kann. Dies ist in bezug auf 15 und unter Verwendung des gleichen schematischen Typs der Darstellung mit den entsprechenden Bezugnahmen in 16 gezeigt.
Binäre Abbildung. Ein binäres Bild kann durch ein 1-Durchgangs- Verfahren, wie es oben beschrieben worden ist, aus einem leeren oder aus einem bestehenden Bild geschrieben werden.
Allerdings führt der Beginn von einem leeren Bild, das Schreiben eines neuen Bildes und das anschließende Umkehren der an jedes jeweilige Bildelement angelegten Spannungen, um ein Gleichspannungs-Gleichgewicht zu erreichen, nicht zur Umkehr des optischen Bildes in ein leeres, sondern zu einem optischen Negativbild. Außerdem ist das zeitgemittelte optische Bild null, falls das Positiv- und das Negativbild während gleicher Zeiten gehalten werden, so daß es sehr wohl erforderlich sein kann, die Beleuchtung (oder den Betrachtungsschritt) zu unterbrechen, um ein Positivbild zu sehen.
Außerdem wird allein dadurch, daß die Relaxation der Bildelemente ermöglich wird, oder dadurch, daß beispielsweise durch Anlegen des globalen Setzsignals NSAR an die Matrix zusammen mit der Steuerung der Spaltenspannung und der Spannung der vorderen Elektrode, um alle Bildelemente kurzzuschließen (null Volt) oder anzusteuern (plus oder minus V), alle Bildelemente auf einen Zustand (verhältnismäßig schnell) angesteuert werden, kein Gleichspannungs-Gleichgewicht geschaffen, obgleich sich ein optisch gleichförmiges Bild ergibt.
Ähnliche Schwierigkeiten gibt es, wenn mit einem bestehenden Bild begonnen wird.
Ein Zwei-Durchgangs-Schema, beispielsweise von dem in 14 gezeigten Typ, kann auf zwei Arten betrieben werden.
In einem ersten Zwei-Durchgangs-Schema kann ein bestehendes Bild dadurch durch ein neues Bild ersetzt werden, daß einfach alle geeigneten Bildelemente während des ersten Durchgangs eingeschaltet werden, während die komplementäre Menge der Bildelemente während des zweiten Durchgangs (wie in 14) ausgeschaltet werden, d. h. dadurch, daß unabhängig davon, ob das Bildelement bereits "1" ist, zunächst alle " 1 "-en in dem neuen Bild adressiert werden, während anschließend unabhängig davon, ob das Bildelement bereits "0" ist, alle "0"-en in dem neuen Bild adressiert werden. Es ist kein Bildelement unadressiert.
Dieses Schema leidet an dem gleichen Nachteil wie das Ein-Durchgangs-Schema, daß alle Bildelemente für jedes Bild unabhängig von ihrem bestehenden Zustand adressiert werden und daß direkt kein Gleichspannungs-Gleichgewicht bewirkt wird. Allerdings ist es rechentechnisch leicht und schnell.
In einem Zwei-Durchgangs-Schema wird ein Flüssigkristallelement lediglich dann ein oder aus angesteuert, wenn eine Änderung des Zustands darin gefordert ist, während es ansonsten unadressiert bleibt. Somit wird jedes Bildelement lediglich abwechselnden Einschalt- und -Ausschaltimpulsen mit wohldefinierten und gleichen Längen ausgesetzt, was somit automatisch auf lange Sicht ein Gleichspannungs-Gleichgewicht bietet.
Der Vorteil des automatischen Langzeit-Gleichspannungs-Gleichgewichts wird teilweise durch die erhöhte rechentechnische Schwierigkeit in bezug auf das erste Zwei-Durchgangs-Schema wettgemacht.
Ein drittes und bevorzugtes Schema, das eine Abwandlung des Zwei-Durchgangs-Schemas aus 14 ist und in 17 gezeigt ist, er möglicht, daß eine Reihe binärer Bilder nacheinander mit Gleichspannungs-Gleichgewicht und mit schnellem oder angesteuertem Löschen geschrieben werden. Die graphischen Darstellungen (iii) und (iv) aus 17 zeigen Spiegelanschlußflächen-Spannungen und Bildelement-Potentialdifferenzen für ein Bildelement, das ausgewählt wird.
Während einer ersten Schreib-Zeitdauer t0 bis t1 wird ein erstes Bild aus einer leeren Matrix von Elementen dadurch geschrieben, daß der Schreibprozeß in der Weise gesteuert wird, daß lediglich jene Elemente, die eingeschaltet werden müssen, angesteuert werden (während der Zeitdauer A der graphischen Darstellung (ii)), während alle anderen Elemente null Volt empfangen. Obgleich dies ähnlich dem ersten Durchgang des Zwei-Durchgangs-Schemas aus 14 ist, folgt auf den Schreib-Schritt, vorzugsweise sofort zum Zeitpunkt t1, eine erste globale Austastung B0 auf null Volt, wobei VFE, wie in der graphischen Darstellung (i) aus 17 gezeigt ist, auf null Volt bleibt. Für eine Bild-Zeitdauer t1 bis t2 bleibt das geforderte binäre Bild ungeändert.
Während einer Lösch-Zeitdauer t2 bis t3 wird dadurch, daß das Negativbild lediglich in die beschriebenen Bildelemente geschrieben wird, ein anschließendes Löschen in eine leere Matrix bewirkt. Dies wird dadurch ausgeführt, daß zum Zeitpunkt t2 synchron zum Schalten von VFE eine zweite globale Austastung BV auf V Volt angelegt wird, woraufhin während einer Zeitdauer B lediglich jene Elemente adressiert werden, die zuvor eingeschaltet wurden, während die anderen Elemente wieder null Volt empfangen. Zu t3 wird synchron zum Schalten von VFE auf null Volt eine dritte globale Austastung B0 auf null Volt angelegt. Somit ist der Lösch-Schritt allgemein ähnlich dem zweiten Durchgang aus 14.
Somit empfangen die angesteuerten Elemente abwechselnd entgegengesetzte Spannungen, um das Gleichspannungs-Gleichgewicht zu schaffen, während die anderen, nicht ausgewählten Elemente keine Spannung empfangen und so im Gleichgewicht bleiben.
Nach dem Zeitpunkt t3 kann das Schreiben eines weiteren binären Bildes begonnen werden, wobei dies, wie gezeigt ist, im wesentlichen zum Zeitpunkt t3 begonnen werden kann.
Somit ähnelt dieses dritte Zwei-Durchgangs-Schema dem zweiten Zwei-Durchgangs-Verfahren darin, daß während der zwei Durchgänge des Schreibens und Löschens die volle Spannung V in verschiedenen Richtungen angelegt werden kann, während es sich von ihm dadurch unterscheidet, daß es anstatt verschiedener nichtkomplementärer Gruppen jedesmal die gleiche Gruppe ausgewählter Bildelemente ist, die adressiert werden, was die Rechenanforderungen verringert. Es unterscheidet sich von dem Ein-Durchgangs-Verfahren, in dem während der Teilbildabtastung notwendig alle Elemente auf die eine oder andere Art angesteuert werden.
Ein Vorteil dieses dritten Schemas besteht darin, daß das zeitgemittelte Bild unabhängig von den Längen der Schreib-, Lösch- und "Betrachtungs"-Prozesse von null verschieden ist, da es anstatt zwischen Bild und inversem Bild zwischen Bild und leer wechselt, was ermöglicht, daß die optische Beleuchtung ununterbrochen ist.
Ein weiterer Gesichtspunkt ist der, daß, obgleich auf die Schreibstufe eine Zeitdauer folgen kann, während der das Bild "betrachtet" oder verwendet wird, keine Notwendigkeit besteht, das nach der Löschung erhaltene leere Bild während irgendeiner Zeitdauer zu erhalten. Wie insbesondere in 17 gezeigt ist, kann eine weitere Schreibstufe sofort beginnen, nachdem alle Bildelemente zurück in ihren Anfangszustand geschaltet worden sind. Da das Verhältnis der Bild-Zeitdauer zur Schreib- und Lösch-Zeitdauer groß sein kann, ist das Bild während eines großen Bruchteils der Gesamtzeitdauer verfügbar und sein Kontrastverhältnis dementsprechend verbessert.
Obgleich das obige und weitere Abbildungsschemata hier in der Weise gezeigt wurden, daß sie globale Austastungen verwenden, wird angemerkt, daß alle Austastungen einzeln oder insgesamt durch eine weitere Teilbildabtastung ersetzt werden könnten, in der alle Spalten auf der Austastspannung gehalten werden. Diese Schemata bilden den Gegenstand der gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/GB99/04275 (Ref: P20962WO) der Erfinder.
Obgleich ein großer Teil der obigen Beschreibung hinsichtlich einer Flüssigkristallzelle erfolgte, die eine Rückwand enthält, die eine adressierbare Matrix umfaßt, kann die Matrix der Erfindung selbstverständlich unabhängig davon, ob die Zelle als Lichtmodulator oder Anzeige wirken soll oder nicht, und unabhängig davon, ob die Inhalte der Zelle eine Flüssigkristallphase haben sollen oder nicht, in irgendeiner Zellenkonstruktion verwendet werden.
Obgleich hier der Begriff "Graustufe" verwendet wird, ist klar, daß der Begriff in bezog auf irgendeine Farbe, einschließlich weiß, verwendet wird. Obgleich die Verfahren, die Matrizen, die Rückwände, die Schaltungsanordnung usw. der Erfindung außerdem in bezog auf eine einzelne Farbe beschrieben sind, die weiß umfaßt, ist außerdem vorgesehen, daß auf an sich bekannte Arten wie etwa durch räumliches Unterteilen einer einzelnen Matrix in verschiedenfarbige Bildelemente, durch Überlagern der Anzeigen von verschiedenfarbigen Monochrom-Matrizen beispielsweise durch Projektion, oder durch zeitliche Multiplexierung, beispielsweise durch aufeinanderfolgende Projektion roter, grüner und blauer Bilder, Anzeigen mit veränderlicher Farbe usw. erzeugt werden.

Claims

Aktivrückwand-Anordnung, die eine Matrix aus elektrisch adressierbaren Elementen (4) umfaßt, die auf einer Aktivrückwand (3) definiert sind, wobei die Matrix eine erste Mehrzahl aus sich gegenseitig ausschließenden Mengen der Elemente umfaßt, wobei die Anordnung außerdem erste Mengenabtastmittel (44) umfaßt, die so beschaffen sind, daß sie alle Mengen der ersten Mehrzahl, jeweils eine Menge zu einem Zeitpunkt, in einer vorgegebenen Reihenfolge adressieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung ferner erste Mengenauswahlmittel umfaßt, die wahlweise jede der Mengen unabhängig von den ersten Mengenabtastmitteln (44) adressieren, wobei mehr als eine oder alle Mengen der ersten Mehrzahl von Mengen gleichzeitig adressiert werden können.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der die ersten Mengenabtastmittel (44) wenigstens ein Schieberegister (44a) mit mehreren Stufen umfassen, wobei jede Menge mit dem Ausgang einer jeweiligen Stufe gekoppelt ist.
Anordnung nach Anspruch 2, bei der die ersten Mengenauswahlmittel auf jeder der Stufen des (der) Schieberegisters) (44a) einen ersten Steuereingang zum Zwischenspeichern ihres Ausgangs umfassen.
Anordnung nach Anspruch 3, bei der jede Stufe außerdem einen zweiten Steuereingang zum Beenden der Zwischenspeicherung oder zum Zurücksetzen umfassen, um die Wiederaufnahme einer normalen Schieberegister-Operation zu ermöglichen.
Anordnung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei der die ersten Mengenauswahlmittel Mittel enthalten, die ein Eingangssignal für ausgewählte der ersten Eingänge zusammen mit einem Signal zum Sperren der normalen Schieberegister-Operation bereitstellen.
Anordnung nach Anspruch 3, bei der die ersten Mengenauswahlmittel zwischen jedem Ausgang und ihrer Menge eine Logik umfassen, die einen ersten Steuereingang für die Bereitstellung eines vorgegebenen ersten Signals, das den Ausgang übergeht, besitzt.
Anordnung nach Anspruch 6, bei der die Logik außerdem einen zweiten Steuereingang umfaßt, der ein vorgegebenes zweites Signal bereitstellt, das von dem ersten Signal verschieden ist und den Ausgang übergeht.
Anordnung nach Anspruch 7, bei der die Logik so beschaffen ist, daß eines der ersten und zweiten Signale das jeweils andere übergeht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei der jedem Ausgang ein Demultiplexer folgt.
Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Matrix eine zweite Mehrzahl von sich gegenseitig ausschließenden Mengen der Elemente, zweite Mengenabtastmittel (45) für die zweite Mehrzahl und zweite Mengenauswahlmittel für die zweite Mehrzahl umfaßt.
Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die ersten und, wenn dieser Anspruch auch von Anspruch 10 abhängt, die zweiten Mengenabtastmittel durch Taktsignale angesteuert werden.
Anordnung nach Anspruch 11, wenn abhängig von Anspruch 10, wobei die Anordnung Mittel für die Erzeugung der Taktsignale und Mittel, die so beschaffen sind, daß sie zu einem Zeitpunkt die Taktsignale an nur eines der ersten und der zweiten Mengenabtastmittel übertragen, umfaßt.
Anordnung nach Anspruch 12, bei der die Übertragungsmittel so beschaffen oder steuerbar sind, daß sie die Taktsignale abwechselnd an jedes der ersten und zweiten Mengenabtastmittel mit einer Rate übertragen, derart, daß abwechselnd ungerade und gerade Mengen, jeweils eine Menge zu einem Zeitpunkt, adressiert werden.
Anordnung nach Anspruch 12, bei der die Übertragungsmittel so beschaffen oder steuerbar sind, daß die Taktsignale an eines der ersten und zweiten Mengenabtastmittel während einer Dauer übertragen werden, die die Adressierung aller Mengen ermöglicht, und daß anschließend die Taktsignale an das andere der ersten und zweiten Mengenabtastmittel während einer Dauer übertragen werden, die die Adressierung aller Mengen ermöglicht.
Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Elemente in Zeilen und Spalten angeordnet sind und die ersten und, wenn dieser Anspruch auch von Anspruch 10 abhängt, die zweiten Mengen durch die Zeilen gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 15, wenn abhängig von Anspruch 10, bei der die erste Mehrzahl von Mengen durch ungerade Zeilen gebil det ist und die zweite Mehrzahl von Mengen durch gerade Zeilen gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 15, bei der die Elemente erste und zweite adressierbare Eingänge besitzen, wobei die ersten Eingänge durch die ersten und, wenn dieser Anspruch auch von Anspruch 10 abhängt, durch die zweiten Mengenabtast- und Mengenauswahlmittel adressierbar sind und bei der die Anordnung Mittel umfaßt, die die zweiten adressierbaren Eingänge mehrerer der Spalten gleichzeitig adressieren.
Anordnung nach Anspruch 17, bei der die mehreren Spalten durch sämtliche Spalten der Matrix gebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, die 1 : n-Demultiplexierungsmittel (42a; 43a) umfaßt, die -mit mehreren Dateneingangsleitungen gekoppelt sind, um nacheinander n aufeinanderfolgende ähnliche Einheiten aus mehreren Spaltenausgängen mit nacheinander gelieferten Daten von den Eingangsleitungen zwischenzuspeichern, wobei die Spaltenausgänge mit den zweiten adressierbaren Eingängen gekoppelt sind.
Anordnung nach Anspruch 19, bei der die Demultiplexierungsmittel (42a; 43a) einen Steuereingang zum Übergehen der Demultiplexierungsfunktion und zum Zwischenspeichern der Einheiten aus mehreren Spaltenausgängen mit denselben Daten von den Eingangsleitungen enthalten.
Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Aktivrückwand (3) eine Halbleiterrückwand ist.
Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Rückwand Abstandshalter aufweist, die sich daran befinden und darüber verteilt sind, wobei sich die Abstandshalter über die elektrisch adressierbaren Elemente erstrecken und wenigstens zwei Lagen aus im wesentlichen demselben Werkstoff umfassen und in derselben Reihenfolge auftreten, die in wenigstens einem der elektrisch adressierbaren Elemente vorgefunden wird.
Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der jedes elektrisch adressierbare Element der Rückwand einen einzigen Transistor, dem eine Kapazität zugeordnet ist, umfaßt.
Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der jedes elektrisch adressierbare Element eine bistabile elektrische Schaltung umfaßt.
Räumlicher Lichtmodulator, der eine Anordnung nach einem vorhergehenden Anspruch umfaßt, wobei jedes elektrisch adressierbare Element der Matrix ein Bildelement bereitstellt.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 25, bei dem die Matrix aus elektrisch adressierbaren Elementen von einem gegenüberliegenden Substrat (7) beabstandet ist und wobei zwischen der Matrix und dem Substrat ein elektrooptisches Material angeordnet ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 26, bei dem das gegenüberliegende Substrat (7) eine Gegenelektrode für ein Element (4) der Matrix bildet.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, bei dem das elektrooptische Material ein Flüssigkristallmaterial ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 28, bei dem das elektrooptische Material ein smektisches Flüssigkristallmaterial ist.
Räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 28, bei dem das elektrooptische Material ein chirales smektisches Flüssigkristallmaterial ist.
Verfahren zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators nach einem der Ansprüche 25 bis 30, das den Schritt des Anlegens desselben Feldes an jedes Bildelement umfaßt.
Verfahren zum Betreiben eines räumlichen Lichtmodulators nach einem der Ansprüche 25 bis 30, bei dem die Elemente der Matrix in Zeilen und Spalten angeordnet sind und die Mengen durch die Zeilen gebildet sind wobei das Verfahren den Schritt des Anlegens desselben Signals an jede Spalte und des gleichzeitigen Adressierens von mehr als einer der Zeilen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem sämtliche Zeilen gleichzeitig adressiert werden.
Verfahren nach Anspruch 31 oder Anspruch 33, bei dem das an jedes Bildelement während des Schrittes angelegte Feld null ist.
Verfahren nach Anspruch 31 oder Anspruch 33, bei dem das an jedes Bildelement während des Schrittes angelegte Feld ein Wechselspannungsfeld ist.
Verfahren nach Anspruch 31 oder Anspruch 33, bei dem das an jedes Bildelement während des Schrittes angelegte Feld ein endliches Gleichspannungsfeld ist.