DE69933790T2

DE69933790T2 - Methode zur ansteuerung einer anordnung von optischen elementen

Info

Publication number: DE69933790T2
Application number: DE69933790T
Authority: DE
Inventors: Alden William CROSSLAND
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1998-12-19
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: GB9827945D0; US6762873B1; CA2353819A1; AU1870500A; DE69933790D1; JP2002533768A; WO2000038167A1; EP1141934B1; EP1141934A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Treiben einer Matrix aus optischen Elementen. Sie ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, relevant für das Treiben eines räumlichen Lichtmodulators.
Der räumliche Lichtmodulator, der in Bezug auf eine bevorzugte Ausführung in dieser Beschreibung beschrieben werden soll, hat die Form einer smektischen Flüssigkristallschicht, die zwischen einer aktiven Rückwand aus Halbleitermaterial und einer herkömmlichen Frontelektrode angeordnet ist. Er wurde als Reaktion auf einen Bedarf von einem schnellen und, wenn möglich, kostengünstigen räumlichen Lichtmodulator hin entwickelt, der eine relativ große Anzahl von Pixeln umfasst, mit der potenziellen Anwendung nicht nur als Anzeigeeinrichtung, sondern auch für andere Formen der optischen Verarbeitung, wie etwa Korrelation und holografisches Schalten. Andere Aspekte dieser Einrichtung werden in unseren ebenfalls angemeldeten internationalen Patentanmeldungen mit gleichem Anmeldungs- und Prioritätsdatum (PCT/GB99/04285, Zeichen: P20957WO, Priorität GB 9827952.4 ; PCT/GB99/04286 und PCT/GB99/04276, Zeichen: P20958WO und P20958WO1, beide mit Priorität GB 9827965.6 ; PCT/GB99/04282, Zeichen: P20959WO, Priorität GB 9827900.3 ; PCT/GB99/04279, Zeichen: P20960WO, Priorität GB 9827901.1 ; PCT/GB99/04274, Zeichen: P20961WO, Priorität GB 9827964.9 und PCT/GB99/04260 und PCT/GB99/04277, Zeichen: P20963WO und P20963WO1, beide mit Priorität GB 9827944.1 ) beschrieben.
Im Verlauf der Entwicklung dieses räumlichen Lichtmodulators traten eine Reihe von Problemen auf und wurden bearbeitet, und die Lösungen dieser Probleme (ob in Form von Konstruktion, Funktion oder Verfahren) sind nicht notwendigerweise in ihrer Anwendung auf die Ausführung beschränkt, sondern finden andere Verwendungen. Folglich sind nicht alle Aspekte der vorliegenden Erfindung notwendigerweise auf Flüssigkristallbauteile oder auf räumliche Lichtmodulatoren begrenzt. Nichtsdestotrotz ist es nützlich, eine Diskussion der Probleme zu beginnen, die bei der Entwicklung der später zu beschreibenden Ausführung aufgetreten sind.
Die Flüssigkristallphase ist im letzten Jahrhundert entdeckt worden, und es gab einige frühe Versuche, Flüssigkristallmaterialien in Lichtmodulatoren zu nutzen, von denen keiner irgendeine bedeutende erfolgreiche kommerzielle Nutzung hervorbrachte. Gegen Ende der 1960er und in den 1970er Jahren gab es jedoch ein erneutes Interesse an der Verwendung von Flüssigkristallmaterialien bei der Modulation von Licht, mit zunehmendem Erfolg, da mehr Materialien und reinere Materialien verfügbar wurden, und da die Technik allgemeinen fortschritt.
Allgemein gesprochen begann diese spätere Periode mit der Verwendung von nematischen und cholesterischen Flüssigkristallmaterialien. Cholesterische Flüssigkristallmaterialien fanden Verwendung als Sensoren, hauptsächlich zum Messen von Temperaturen oder zur Anzeige einer Temperaturänderung, jedoch auch zum Reagieren auf zum Beispiel die Anwesenheit von Verunreinigungen. In solchen Fällen ist die Steigung der cholesterischen Helix empfindlich für den Parameter, der erfasst werden soll, und ändert entsprechend die Wellenlänge, bei der es eine selektive Reflektion von Licht, das in eine Drehrichtung zirkular polarisiert ist, an der Helix gibt.
Es wurden auch Versuche unternommen, cholesterische Materialien in elektrooptischen Modulatoren zu verwenden, aber während dieser Periode betraf der Hauptvorstoß der Forschung auf diesem Gebiet nematische Materialien. Anfängliche Einrichtungen verwendeten Effekte wie den nematischen dynamischen Streueffekt, und zunehmend fortschrittlichere Bauteile, die Eigenschaften, wie etwa oberflächeninduzierte Ausrichtung, die Wirkung auf polarisiertes Licht und die gemeinsame Orientierung von langgestreckten Farbstoffmolekülen oder anderen langgestreckten Moleküle/Partikeln einsetzten, sind entstanden.
Manche dieser Bauteile verwendeten Zellen, in denen die nematische Phase eine gedrehte Struktur annahm, entweder durch geeignet eingerichtete Ausrichtungen an Oberflächen oder durch Einbettung optisch aktiver Materialien in die Flüssigkristallphase. In gewisser Weise ähneln solche Materialien cholesterischen Materialien, die oft als spezielle Form der nematischen Phase angesehen werden.
Anfangs hatten die Flüssigkristall-Lichtmodulatoren die Form einer einzelnen Zelle, die eine Schicht von Flüssigkristallmaterialien enthielt, die zwischen gegenüberliegenden Rückwände angeordnet war, wobei wenigstens eine der Platten transparent war. Eine solche Zelle war langsam im Betrieb und tendierte wegen der Verschlechterung des Flüssigkristallmaterialien zu einer kurzen Lebensdauer. Ziemlich früh wurde dabei erkannt, dass das Anlegen einer gemittelten Gleichspannung der Flüssigkristallzelle nicht zuträglich war, und wenigstens in manchen Fällen Verschlechterung durch Elektrolyse des Flüssigkristallmaterials selbst erzeugte, und es wurden Vorgehensweisen entwickelt, um die gemittelte Gleichspannung auf Null zu bringen (Gleichspannungsabgleich).
Es ist heute klar, dass auch andere Effekte am Werk sind, wenn eine Gleichspannung angelegt wird. Wenn elektrooptische Flüssigkristallbauteile irgendeinen Zeitraum lang angesteuert werden, kann ein Phänomen auftreten, das als Bildfesthalten bekannt ist. Obwohl der genaue Grund dieses Effektes unbekannt ist, gibt es Theorien, dass Ionen eingefangen werden oder Raumladung in das Material als Reaktion auf ein Gesamtgleichspannungsfeld induziert wird, und dass dies zu einem Restfeld führt, sogar wenn das externe Gleichspannungsfeld entfernt wird. Ob elektrolytische Zersetzung vermieden werden soll, oder Bildfesthalten vermieden werden soll, ist es offensichtlich wünschenswert, dass die zeitlich gemittelte Spannung, die an ein Flüssigkristallmaterial angelegt wird, (das heißt, der Durchschnitt über die Zeit, über die die Spannung tatsächlich von einer externen Quelle an den Flüssigkristall angelegt ist) Null ist.
Die Dicke der Flüssigkristallschicht in nematischen Zellen beträgt gewöhnlich um 20 bis 100 Mikrometer, und es ergibt sich eine entsprechend kleine Kapazität der Einheit, die zu einer nematischen Flüssigkristallzelle gehört. Darüber hinaus tendiert die Schaltzeit von einem vollständigen „AUS"-Zustand zu einem vollständigen „AN"-Zustand dazu, ziemlich lang zu sein, gewöhnlich etwa eine Millisekunde. Relaxation zurück zu dem „AUS"-Zustand kann etwas länger dauern, außer wenn sie positiv angesteuert wird; der „AUS"-Zustand ist jedoch der einzig stabile.
Gleichzeitig wurden elektrooptische nematische Bauteile erdacht, die mehrere Pixel umfassten. Anfangs hatten diese die Form einer gemeinsamen Elektrode auf einer Seite einer Zelle und mehrere einzelne adressierbare passive Elektroden auf der anderen Seite der Zelle (zum Beispiel wie in einer Sieben-Segment-Anzeige), oder, für größere Pixelanzahlen, sich kreuzende passive Elektrodengruppen auf jeder Seite der Zelle, zum Beispiel Zeilen- und Spaltenelektroden, die abgerastert wurden. Während spätere Anordnungen beträchtliche Vielseitigkeit boten, gab es Probleme mit Übersprechen zwischen Pixeln.
Die Situation wurde verschärft, als analoge Anzeigen (mit Graustufung) durch analoge Modulation der angelegten Spannung benötigt wurden, da die optische Reaktion in Bezug auf die angelegte Spannung nichtlinear ist. Die Adressierungschemata wurden relativ kompliziert, insbesondere, wenn auch Gleichspannungsabgleich erforderlich war. Solche Betrachtungen in Verbindung mit dem relativ langsamen Schalten von nematischen Zellen haben es schwierig gemacht, Echtzeit-Videobilder mit sinnvoller Auflösung zu liefern.
Darauf folgend wurden Bauteile mit aktiver Rückwand produziert. Diese enthalten eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial, die zwischen einer Rückwand und einem Substrat angeordnet ist, das in einem Abstand gegenüberliegt. Die Rückwand umfasst mehrere aktive Elemente, wie etwa Transistoren, um die entsprechenden Pixel unter Spannung zu setzen. Unter Spannung Setzen beinhaltet normalerweise Zusammenwirken mit einer oder mehreren Gegenelektroden, die auf dem gegenüberliegenden Substrat angeordnet sind, obwohl es möglich ist, Gegenelektroden in der Rückwand selbst für Felder bereitzustellen, die im allgemeinen parallel zur Ebene der Flüssigkristallschicht sind.
Zwei herkömmliche Formen der Rückwände sind Rückwände mit Dünnschichttransistoren auf Quarzglas/Glas und Halbleiter-Rückwände. Die aktiven Elemente können dazu eingerichtet sein, irgendeine Form von Speicherfunktion auszuführen, wobei in diesem Fall die Adressierung des aktiven Elementes im Vergleich zu der Zeit, die gebraucht wird, um das Pixel zu adressieren und umzuschalten, beschleunigt werden kann, was das Problem der Anzeige mit Videobildfrequenz entschärft.
Aktive Rückwände werden herkömmlich in einer Anordnung hergestellt, die einem dynamischen Speicher mit zufälligen Zugriff (DRAM, Dynamic Random Access Memory) oder einem statischen Speicher mit zufälligen Zugriff (SRAM, Static Random Access Memory) sehr ähnlich ist. An jeder der adressierbaren Stellen, aus denen die verteilte Matrix besteht, enthält eine aktive Rückwand vom SRAM-Typ eine Speicherzelle mit wenigstens zwei gekoppelten Transistoren, die derart eingerichtet sind, dass sie zwei stabile Zustände aufweisen, sodass die Zelle (und deshalb das zugehörige Flüssigkristallpixel) im letzten Schaltzustand verbleibt, bis ein späterer Adressierungsschritt ihren Zustand ändert. Jede Stelle steuert ihren zugehörigen Flüssigkristallpixel elektrisch an und ist per se bistabil, das heißt ohne die Pixelkapazität. Leistung, um das Pixel anzusteuern, um den bestehenden Schaltzustand aufrechtzuerhalten, wird aus den Busstreifen erhalten, die auch die Matrix aus SRAM-Stellen versorgt. Die Adressierung wird wiederum normal von peripherer Logik und Spalten- und Zeilenadressierungsleitungen durchgeführt.
In einer aktiven Rückwand vom DRAM-Typ wird ein einzelnes aktives Element (Transistor) an jeder Stelle bereitgestellt und bildet zusammen mit der Kapazität des zugeordneten Flüssigkristallpixels eine Ladungsspeicherzelle. In diesem Fall sind folglich, und anders als bei der SRAM-Rückwand, die Flüssigkristallpixel ein integrierter Teil des DRAMs der Rückwand. Es gibt keine Bistabilität, die der Stelle zugeordnet ist, außer wenn das Flüssigkristallpixel selbst bistabil ist, und dies ist nicht der Fall, so weit es um nematische Pixel geht. Stattdessen wird darauf vertraut, dass das aktive Element eine hohe Impedanz erzeugt, wenn es nicht adressiert ist, um Lecken von Ladung aus der Kapazität zu verhindern, und auf das periodische Auffrischen der DRAM-Stelle.
Im Gegensatz zu dem RAM-Typ, der zur Computertechnik gehört, werden die Pixelschaltkreise und insbesondere die Transistoren des Pixels oft wenigstens teilweise Licht ausgesetzt. Dies kann zu Problemen führen, insbesondere mit Rückwänden vom DRAM-Typ mit fotoinduzierter Leitfähigkeit und Lecken von Ladung, bei denen die Pixel Teil des DRAM-Schaltkreises sind. Dieser Aspekt wird detaillierter in unserer ebenfalls angemeldeten Anmeldung PCT/GB99/04279, Bezug:P20960WO behandelt.
Rückwände mit Dünnschichttransistoren (TFT) umfassen eine Matrix aus Dünnschichttransistoren, die auf einem Substrat (im Allgemeinen transparent) über eine Fläche, die beträchtlich sein kann, verteilt sind, mit peripheren Logikschaltkreisen zur Adressierung der Transistoren, durch die die Erschaffung von Bauteilen mit Pixeln auf großen Flächen, die direkt betrachtet werden können, erleichtert wird. Nichtsdestotrotz gibt es Probleme mit der Ausbeute der Rückwände bei der Herstellung, und die Länge der adressierenden Leiterbahnen hat einen verlangsamenden Effekt auf das Abrastern. Wenn sie auf einem transparenten Substrat, wie etwa Glas, bereitgestellt werden, können TFT-Matrizen tatsächlich auf der front- oder rückseitigen Oberfläche einer Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung angeordnet werden.
In der Gesamtansicht ist die Fläche der TFT-Matrix, die von den Transistoren, den zugehörigen Leitern und anderen elektrischen Elementen besetzt ist, relativ unbedeutend. Es gibt deshalb keinen signifikanten Nachteil beim Einsatz der SRAM-Anordnung im Gegensatz zur DRAM-Anordnung. Diese Sorte von Rückwand beseitigt folglich viele der Probleme, die mit langsamen Schaltzeiten von Flüssigkristallpixeln verbunden sind.
Im allgemeinen sind die aktiven Elemente in TFT-Rückwänden Diffusionstransistoren und dergleichen im Gegensatz zu FETs, sodass die zugehörigen Impedanzen relativ gering sind und die zugehörige Ladungsleckage im „AUS"-Zustand relativ hoch ist.
Aktive Halbleiter-Rückwände sind in der Größe auf die Größe von verfügbaren Halbleitersubstraten begrenzt, und sind ohne eingreifende Optiken nicht für die direkte Betrachtung geeignet. Nichtsdestotrotz ist ihre ausgeprägte Kleinheit der Adressierungsgeschwindigkeit der aktiven Elemente zuträglich. Dieser Typ von Rückwand enthält gewöhnlich FETs, zum Beispiel MOSFET- oder CMOS-Schaltkreise mit zugehörigen relativ großen Impedanzen im „AUS"-Zustand.
Die Kleinheit bedeutet jedoch auch, dass der Bereich des gesamten Lichtmodulationsfläche (Matrix), die von den Transistoren, den zugehörigen Leiterbahnen und anderen elektrischen Elementen, z. B. Kondensatoren, belegt ist, relativ bedeutend sein kann, insbesondere beim SRAM-Typ, der viel mehr Elemente als der DRAM-Typ erfordert. Da sie für sichtbares Licht undurchsichtig ist, kann eine Halbleiter-Rückwand als rückseitiges Substrat eines Lichtmodulators oder einer Anzeigeeinrichtung vorgesehen werden.
In einer späteren Periode fand eine starke Entwicklung der Verwendung von smektischen Flüssigkristallen statt. Diese haben insofern potenzielle Vorteile gegenüber nematischen Phasen, als ihre Schaltgeschwindigkeit markant größer ist, und mit geeigneter Oberflächenstabilisierung liefern die ferroelektrischen smektischen C-Phasen Bauteile mit zwei stabilen Ausrichtungszuständen, das heißt, einer Speicherfunktion.
Die Schichtdicke des Flüssigkristallmaterials in solchen Bauteilen ist gewöhnlich viel kleiner als die in den entsprechenden nematischen Bauteilen, normalerweise liegt sie in der Größenordnung von maximal wenigen Mikrometern. Zusätzlich zur Veränderung der potenziellen Schaltgeschwindigkeit erhöht dies die Kapazität einer Pixeleinheit, was die Funktion des Aufrechterhaltens eines Schaltzustands, bis die nächste Adresse auftritt, einer aktiven DRAM-Rückwand erleichtert.
Wenn sich jedoch die Dicke des Flüssigkristalls der Dicke der darunterliegenden Struktur der Rückwand und der Größe aller möglicher Deformationen der Struktur des Flüssigkristallzelle durch Biegung oder andere Bewegungen des Substrats nähert, entstehen Probleme, zum Beispiel, was die Gleichförmigkeit der Reaktion über die Pixelfläche und die Möglichkeit von Kurzschlüssen durch die Zelldicke betrifft. Diese Faktoren werden detaillierter in unseren ebenfalls angemeldeten Anmeldungen PCT/GB99/04285, Bezug: P20957 WO und PCT/GB99/04282, Bezug: P20959WO behandelt.
Die Möglichkeit langer Relaxationszeiten oder sogar von Bistabilität der Flüssigkristallzelle oder des Pixels erleichtern die Einführung einer relativ neuen digitalen Methode, wenn eine Graustufung erforderlich ist, bei der Pixel für einen Bruchteil des Betrachtungszeitraums entsprechend der Graustufe auf „AN" geschaltet werden. Im Wesentlichen wird das Bild rechnerisch in eine Reihe von Bitflächen zerlegt, in denen jedes Pixel entweder „AN" oder „AUS" ist, wobei die Bitflächen nacheinander angezeigt werden. In einer bevorzugten Form, der (normalerweise binären) gewichteten Bitflächenmethode, wird die Zeitdauer der Bitflächen gewichtet, was die Anzahl von Bitflächen verringert, die erforderlich sind, um ein Bild zu erzeugen, und was die Adressierungsanforderungen etwas verringert.
Pixelstruktur-Schalt- und Adressierungszeiten
Wenn eine Rückwand vom SRAM-Typ verwendet wird, um ein kapazitives Element zu schalten, kann die Zeit, die erforderlich ist, um eine Stelle auf der Rückwand zu adressieren, so klein sein, wie es erforderlich ist, um diese Stelle umzuschalten, ohne Rücksicht darauf, ob das kapazitive Element reagiert hat. Die Stelle ist immer mit der Stromversorgung verbunden, und diese kann damit fortfahren, das kapazitive Element mit Leistung (Strom/Spannung) zu versorgen, nachdem der Adressierungspuls beendet ist.
Im Gegensatz dazu wird ein kapazitives Element an einer DRAM-Stelle nur mit Leistung versorgt, während die Adressierung stattfindet, nach der das aktive Element (Transistor) ausgeschaltet wird. Wenn der Adressierungspuls für die Übertragung der erforderlichen Ladungsmenge nicht ausreichend lang ist, wird das kapazitive Element unvollständig geschaltet. Es ist wahrscheinlich, dass dies zum Beispiel auftritt, wenn das kapazitive Element ferroelektrisches Material enthält, wie in manchen smektischen Flüssigkristallzellen, und die Adressierungszeit kurz ist, z. B. in einer großen Matrix.
Eine Lösung ist, eine zusätzliche „Schluck"-Kapazität bereitzustellen, die während des Adressierungspulses schnell aufgeladen wird, und so eine Ladungsreserve bereitstellen kann, während das kapazitive Element über eine längere Zeitdauer schaltet. Dieser Aspekt wird detaillierter in unserer ebenfalls angemeldeten Anmeldung PCT/GB99/04279, Zeichen: P20960WO behandelt, die die Bereitstellung einer aktiven Halbleiter-Rückwand mit einer Matrix von adressierbaren aktiven Elementen auf einem Halbleitersubstrat betrifft, um entsprechende erste Elektroden unter Spannung zu setzen, wobei wenigstens einen Teil des Bereichs unter der Elektrode dazu eingerichtet ist, als Kondensator zu arbeiten. Insbesondere kann der Teil als Verarmungsgebiet gestaltet werden, wodurch er bei der Verwendung als eine umgekehrt vorgespannte Diode arbeitet, oder es können einzelne Kondensatorplatten unterhalb der Elektrode gebildet werden, wobei eine mit dem Substrat verbunden ist, und die andere mit der Elektrode.
Smektische elektrooptische Flüssigkristallzellen
In der smektischen Flüssigkristallphase weisen die Moleküle zusätzlich zu der Ordnung der Orientierung, die cholesterische und nematische Phasen zeigen, eine positionsbezogene Ordnung („Schichten") auf. Es gibt mehrere verschiedene smektische Subphasen, die sich in der Ordnung der Orientierung in der Gesamtstruktur der smektischen Schichten unterscheiden, wobei die gebräuchlichsten die smektische A-Phase (SmA) und die smektische C-Phase (SmC) sind.
Die gewöhnliche Ausrichtung von smektischen Materialien ist planar (Moleküle im allgemeinen parallel zu den Hauptoberflächen der Zelle), wobei die smektischen Schichten normal zu der Zellebene liegen, da dies ermöglicht, das Feld über die Dicke der Zelle anzulegen. Es ist möglich, mit smektischen Schichten in der Zellebene homöotrope Ausrichtung zu erhalten, und eine solche Einrichtung kann einen schnellen Modulator für den Brechungsindex liefern. Um jedoch geeignete elektrische Felder zum Schalten anzulegen, sind sehr schmale Spalte zwischen den Elektroden erforderlich, und solche Einrichtungen tendieren deshalb dazu, sehr kleine aktive Bereiche zu haben, und als Folge ist dieser Bauteiltyp relativ unüblich.
In der smektischen A-Phase ist der Direktor normal zu der Ebene der Schichten. Das Anlegen eines elektrischen Feldes senkrecht zu dem Direktor veranlasst den letzteren, sich um eine Achse parallel zu dem angelegten Feld um einen Betrag zu neigen, der näherungsweise line ar von der Feldstärke abhängt, was ermöglicht, eine analoge Graustufenmodulation zu erreichen. Die Polarisation des Lichtes wird beeinflusst, sodass Intensitäts- oder Phasenmodulation erreicht werden können, und da die Drehung des Direktors in der Ebene der Zelle liegt, liegt normal einfallendes Licht immer senkrecht zu der optischen Achse des Materials. In Verbindung mit der Dünnheit der Zelle führt dies zu verbesserten Betrachtungswinkeln für solche Bauteile. Dieser Effekt, der der elektrokline Effekt genannt wird, ist extrem schnell, es wurden Schaltzeiten herunter bis ungefähr 100 Nanosekunden beobachtet.
In der smektischen C-Phase bildet der Direktor einen konstanten („Neigungs-") Winkel mit der Ebene der smektischen Schichten. Der Neigungswinkel hängt vom Material und der Temperatur ab, und definiert einen Kegel mit seiner Spitze auf der smektischen Schicht und seiner Achse senkrecht zu der Schicht, wobei alle möglichen Positionen des Direktors auf der Kegeloberfläche liegen. In dem Block aus einer chiralen smektischen C-Phase (SmC*) präzediert der Direktor von Schicht zu Schicht wie in einer Helix.
In der chiralen smektischen C-Phase sind Flüssigkristallmaterialien ferroelektrisch und sind permanente Dipole, was manchmal spontane Polarisation (P_s) genannt wird. In dem Material in dem Block dreht sich P_s in der Ebene der Schicht, wenn der Direktor präzediert, sodass kein Nettoeffekt beobachtbar ist. Ferroelektrizität im Block kann beobachtet werden, wenn die Präzession unterdrückt wird, entweder durch Oberflächenstabilisierung der Positionen des Direktors, derart, dass nur die zwei Orientierungen des Direktors, die in der Ebene des Bauteils liegen, möglich sind, und/oder durch Zurückdotierung mit einem chiralen Material der entgegengesetzen Händigkeit.
Smektische C*-Materialien können allgemein in zwei Klassen unterteilt werden, die als Materialien mit hoher beziehungsweise geringer Neigung bekannt sind. Materialien der Klasse I haben eine Phasensequenz isotrop – smektisch A* – smektisch C*, und sind tendenziell Materialien mit geringer Neigung mit Neigungswinkeln, die im allgemeinen um ungefähr 22,5° (Kegelwinkel von 45°) gruppiert sind; Materialien der Klasse II haben eine Phasensequenz isotrop – nematisch – smektisch C*, und sind tendenziell Materialien mit starker Neigung und größeren Neigungswinkeln. Materialien mit einem Kegelwinkel größer 75° sind selten, obwohl für holografische Anwendungen, die Phasenmodulation erfordern, ein Kegelwinkel von 90° ideal wäre.
Bei Materialien mit geringer Neigung sind die smektischen Schichten relativ zur Oberfläche der Zelle statt in rechtem Winkel geneigt, sodass der Direktorkegel eine geneigte Achse hat und seine Oberfläche tangential zur Oberfläche der Zelle liegt.
Wenn die Struktur oberflächenstabilisiert ist, dann gibt es in der Theorie wenigstens für Materialien der Klasse I keinen Vorzug zwischen den zwei Zuständen eines Materials mit geringer Neigung, und es sollte sich eine bistabile Struktur ergeben. Oberflächenstabilisierung kann erreicht werden, indem einfach die Schicht in der Zelle dünn gemacht wird. Die zwei Zustände haben verschiedene Effekte auf polarisiertes Licht, und können auf diese Weise Intensitäts- oder Phasenmodulation liefern. In der Praxis ist es sehr schwierig oder unmöglich, echte Bistabilität zu erhalten, insbesondere auf Siliziumrückwänden, und es existiert ein leichter Vorzug von einem Zustand gegenüber dem anderen. Nichtsdestotrotz sollte dies relativ lange Relaxationszeiten entstehen lassen.
Für Materialien mit hohem Neigungswinkel sind die zwei Zustände nicht gleich, und ein Zustand wird gegenüber dem anderen bevorzugt, sodass sich eine Monostabilität bei Nichtvorhandensein irgend eines anderen Faktors ergibt. Die zwei Zustände sind derart, dass Phasenmodulation von Licht erhalten werden kann, und, indirekt, Intensitätsmodulation, z. B. in holografischen Anwendungen. Sowohl Materialien mit hoher als auch mit geringerer Neigung können in dem räumlichen Lichtmodulator nach der Erfindung verwendet werden.
Stabilität/Relaxation
Die Anwesenheit von spontaner Polarisation und ihre Neuausrichtung, wenn sich die Flüssigkristallmoleküle unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes neu ausrichten, führen zu einem signifikanten zusätzlichen Strom oder Ladungsfluss während der Neuausrichtung, zum Beispiel zwischen Elektroden auf beiden Seiten einer smektischen Schicht. Ein Pixel mit einer Fläche A verbraucht eine Ladung von 2AP_s während des Schaltens. Dieser Faktor ist besonders wichtig, wenn das Schalten von Pixeln durch eine aktive Rückwand vom DRAM-Typ gesteuert wird, wobei die Pixelkapazität und P_s wichtige Konstruktionsparameter werden. Es sei auch angemerkt, dass Ladungsverbrauch das Feld über die Elektroden in solchen Bauteilen verringert, wenn die Adressierungspulse nicht ausreichend lang sind, um dem Schalten der Pixel Rechnung zu tragen, wie in der vorliegenden bevorzugten Ausführung.
Wie schon angemerkt wurde, ist die hier beschriebene Verwendung von Rückwänden nicht auf Flüssigkristallbauteile begrenzt. Diese Rückwände sind jedoch besonders für die Verwendung bei der Herstellung von Flüssigkristallbauteilen geeignet. Obwohl es wiederum möglich ist, nematische oder cholesterische Materialien in solchen Bauteilen einzusetzen, es wird bevorzugt, smektische Materialien wegen deren schnellerem Schaltverhalten einzusetzen.
Andere Gründe für die Bevorzugung von smektischen Materialien sind die schnellen Schaltzeiten; und, im Falle der Verwendung einer aktiven Rückwand vom DRAM-Typ (dies gilt nicht, wenn die Rückwand vom SRAM-Typ ist, da Leistung/Strom kontinuierlich an jedes Pixel angelegt werden kann) die Möglichkeit, die Relaxationszeiten auszuweiten, nachdem ein Pixel einmal in den gewünschten Zustand versetzt worden ist, oder sogar einen bistabilen Effekt zu erhalten. Ein Vorteil einer schnellen Schaltzeit in dem Fall, in dem Relaxation auftritt, liegt in der Steigerung des Anteils der Periodendauer der Wiederholung der Pixeladressierung, der für die Betrachtungszeit genutzt werden kann. Ein anderer Vorteil, insbesondere, wenn optische Prozesse betroffen sind, ist die Steigerung des Datendurchsatzes.
Elektrostatische Stabilisierung
Der Ladungsverbrauch, der auftritt, wenn ein Pixel in eine Richtung geschaltet wird, lässt eine entsprechende Ladungserzeugung entstehen, wenn das Pixel in die andere Richtung schaltet. Wenn deshalb ein geschaltetes Pixel elektrisch vollständig isoliert ist, kann die Ladung nicht fließen und das Pixel kann nicht relaxieren. Beim Betrieb einer Matrix vom DRAM-Typ kann dies bewirkt werden, indem alle Transistoren der Matrix ausgeschaltet werden, und in der bevorzugten Ausführung wird dies ermöglicht, indem ein globales Rücksetzsignal NRAR an die Zeilenabrasterer angelegt wird. In manchen Ausführungen von Adressierungsschemata werden auch, nachdem alle Zeilen in dem Bild abgerastert wurden, alle Transistoren im ausgeschalteten Zustand belassen, bis das nächste Abrastern des Bildes beginnt. (Andere Ausführungen von Adressierungsschemata, einschließlich denen mit Stabilisierung durch Wechselspannung, erfor dern nicht, dass Transistoren in einem geschalteten Zustand belassen werden).
In der Praxis kann die das Lecken von Ladung nicht vollständig beseitigt werden, und folglich tritt Relaxation auf, aber über einen verlängerten Zeitraum. Ein üblicher Grund von Ladungsleckage sind Photoleitfähigkeit, die mit der Schluckkapazität zusammenhängt, die oben erwähnt wurde, und/oder Ströme wegen Photoleitfähigkeit oder andere Leckströme in den zugehörigen Schaltern der DRAM-Matrix.
Elektrische Isolation ist folglich ein nützliches, aber nicht perfektes Werkzeug zur Verlängerung von Relaxationszeiten. Es ist klar, dass unabhängig davon, ob eine lange Relaxationszeit durch eine geeignete Materialwahl und Zellenkonstruktion oder durch elektrische Isolierung erreicht wird, der entscheidende Faktor ist, dass eine ausreichende Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Adressierungen irgend eines Pixels erlaubt werden kann, damit es seinen gewünschten Zustand im Wesentlichen aufrechterhält.
Stabilisierung durch Wechselspannung
Während der Relaxation dreht sich der Direktor aus der Ebene des Bauteils in die alternative Position. Wenn ein elektrisches Feld an ein Material angelegt wird, bewirkt das Feld selbst eine Polarisation des Materials, und die Polarisation reagiert auf das Feld, was zu einem Drehmoment führt, das proportional zu dem Quadrat des Feldes ist und so von der Polarität des Feldes unabhängig ist. Bei einem Material mit negativer dielektrischer Anisotropie wirkt dieses Drehmoment so, dass die Moleküle in der Ebene des Pixels gehalten werden, wodurch die Richtung des Direktors des Flüssigkristalls in jedem der geschalteten Zustände „einrastet". Folglich verhindert die kontinuierliche Anwendung eines elektrischen Wechselfeldes zwischen aufein anderfolgenden Adressierungen (die in wenigstens manchen Fällen eine geringe Amplitude in Bezug auf die Schaltspannung hat) die Relaxation des Direktors in die alternative Richtung. Jeglicher Tendenz des Direktors, von einer der zwei bevorzugten Richtungen wegzudrehen, wird effektiv sofort durch das Wechselfeld entgegengewirkt, das den Direktor in die Richtung zurückdreht, die er haben soll. Der Effekt herrscht, solange das Wechselfeld vorhanden ist, sodass sich das Bauteil verhält, als ob es bistabil wäre.
In einem Bauteil mit DRAM-Matrix kann dieser Effekt erhalten werden, indem global alle der DRAM-Schalttransistoren eingeschaltet werden, indem dasselbe Gleichspannungssignal (z. B. Null oder V Volt) an alle Spaltenelektroden angelegt wird, und indem an die gemeinsame Frontelektrode eine Wechselspannung angelegt wird, die einen Gleichanteil hat, der dem entspricht, der an die Spaltenelektroden angelegt ist.
Diese endlose Verlängerung von geschalteten Pixelzuständen ist besonders wichtig bei bestimmten Typen von optischer Verarbeitung, bei denen dieselben optischen Zustände über Tage, Monate oder sogar Jahre aufrechterhalten werden müssen.
Es ist deshalb klar, dass es während des Betriebs der Matrix wünschenswert ist, gleichzeitig mehrere der Zeilen, und vorzugsweise alle Zeilen, aktivieren zu können, sodass alle aktivierten Pixel entlang jeder Spalte gleichzeitig in den selben Zustand gebracht werden können. Dies wurde in Verbindung mit der Bereitstellung von Dunkeltastung und Stabilisierung durch Wechselspannung zur Verlängerung des geschalteten Zustands eines Pixels erwähnt, und es ist auch insofern wünschenswert, als es erlaubt, die Länge der Zeitdauer, während der ein Gleichspannungspuls eines Potenzials angelegt ist, klar und präzise zu definieren, was wünschenswert ist, wenn man den Gleichspannungsabgleich betrachtet. Wenn deratige Aktivierung realisiert wird, während keine Stabilisierung verwendet wird, ist es auch wünschenswert, die aktivierten Transistoren zu deaktivieren, vorzugsweise durch eine globale Deaktivierung über die gesamte Matrix, um Relaxation zum Beispiel wegen Kurzschlüssen einer Flüssigkristallzelle zu verhindern.
In der nachfolgend zu beschreibenden Ausführung, in der Daten, die parallel in die Spalten gespeist werden, identisch sind, und alle Zeilen aktiviert sind, kann die ganze Matrix auf Null oder Eins gebracht werden, wodurch die Matrix dunkelgetastet wird. Wenn die parallelen Daten entlang der Spalten variiert werden, wird ein vertikales Streifenmuster erzeugt.
Wenn die Potenzialdifferenz zwischen der Frontelektrode und der Spalten während der Dunkeltastung Null ist, werden die Pixel kurzgeschlossen, wodurch ermöglicht wird, dass Relaxation stattfindet. Alternativ kann die Potenzialdifferenz eine positive oder negative Gleichspannung sein, die folglich alle Pixel relativ schnell ein- oder ausschaltet. Wenn die Gleichspannungspotenzialdifferenz Null ist, aber eine kleine Wechselspannung vorhanden ist, zur Erleichterung des Anlegens vorzugsweise auf der gemeinsamen Frontelektrode, können die Pixel unter gewissen Umständen in ihren bestehenden Zuständen gehalten werden, wie detaillierter an anderer Stelle in dieser Beschreibung beschrieben wird (Stabilisierung durch Wechselspannung).
Unsere ebenfalls eingereichte Anmeldung PCT/GB99/04274, Zeichen: P20961WO betrifft die Bereitstellung einer Matrix von elektrisch adressierbaren Elementen, wobei die Matrix mehrere sich ge genseitig ausschließende Sätze der Elemente, eine Einrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen der Sätze zu einem Zeitpunkt zu adressieren, und eine Einrichtung umfasst, die mehr als einen (und vorzugsweise alle) der mehreren Sätze (die „ausgewählten Sätze") gleichzeitig adressiert. Während die üblichste Form von Matrizen eine Anordnung mit adressierbaren Zeilen (den Sätzen) und Spalten ist, sind andere Anordnungen möglich, zum Beispiel auf Basis von Polarkoordinaten (Abstand und Winkel). Moderne Berechnungsverfahren und Standardwandler machen jedoch tendenziell andere Formate in der Mehrheit der Fälle redundant.
Obwohl, wie man sehen wird, die Möglichkeit, alle Pixel der Matrix gleichzeitig adressieren zu können, bei der Ausführung der Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung sehr wünschenswert ist, ist sie nicht essentiell, und es gibt Fälle, wo durch einen weiteren Schreibvorgang ersetzt werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, das Erreichen des Gleichspannungsabgleichs zu erleichtern, während eine Matrix aus binären Elementen angesteuert wird.
In einem ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Matrix aus optischen Elementen in einer Abfolge von Zyklen, um deren Zustände entsprechend den jeweiligen Eingangsdatensätzen aus einer Serie von Eingangsdatensätzen zu verändern, wobei jeder Zyklus einen ersten Schritt, in dem nur ausgewählte Elemente aus einer optisch leeren oder einheitlichen Matrix so geschrieben werden, wie es durch einen entsprechenden Datensatz festgelegt ist, und einen zweiten Schritt umfasst, in dem die ausgewählten Elemente selektiv gelöscht werden, um vor einem nächsten Zyklus wieder eine leere Matrix herzustellen.
In einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung eine elektrooptische Anordnung, die eine Matrix aus elektrooptischen Elementen und eine Steuereinrichtung umfasst, die auf eine Reihe von Eingangsdatensätzen reagiert, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, auf jeden Datensatz derart zu reagieren, dass beginnend mit einer optisch leeren oder einheitlichen Matrix aus Elementen in einem ersten Schritt ausgewählte Elemente wie durch den Datensatz festgelegt geschrieben werden, und in einem zweiten Schritt die ausgewählten Elemente selektiv gelöscht werden, um vor dem Schreiben der Elemente wie durch einen nachfolgenden Datensatz festgelegt zu einer leeren Matrix zurückzukehren.
Die Matrix aus optischen/elektrooptischen Elementen kann eine entsprechende Matrix aus adressierbaren aktiven Elementen (z. B. Pixelelektroden, die z. B. auf einer aktiven Rückwand erzeugt sind, vorzugsweise einer Halbleiter-Rückwand) und eine Elektrode umfassen, die von der entsprechenden Matrix einen Abstand hat, wobei jedes optische/elektrooptische Element zwischen der Elektrode und einem entsprechenden aktiven Element definiert ist. Die Elektrode mit dem Abstand kann für alle Elemente der Matrix gemeinsam sein.
In einer bevorzugten Form des Verfahrens werden die aktiven Elemente und die Elektrode mit dem Abstand in einem ersten Schritt betrieben, um eine erste Potenzialdifferenz über die ausgewählten optischen/elektrooptischen Elemente anzulegen, und während des zweiten Schrittes werden die aktiven Elemente und die Elektrode mit dem Abstand betrieben, um eine zweite Potenzialdifferenz über die ausgewählten Elemente anzulegen, wobei die erste und die zweite Potenzialdifferenz entgegengesetzte Vorzeichen und vorzugsweise gleiche Amplituden haben.
Noch mehr wird es bevorzugt, dass das Potenzial, das an die Elektrode mit dem Abstand angelegt wird, zwischen einem ersten und einem zweiten Wert umgeschaltet werden kann, wobei das Ausgangssignal für die gesamten Matrix aus adressierbaren aktiven Elementen ebenso zwischen einem ersten und einem zweiten Wert des Potenzials im wesentlichen synchron mit dem Schalten der Frontelektrode umgeschaltet wird. Das Potenzial, das an die Elektrode mit dem Abstand angelegt wird, kann den zweiten Wert nur während des zweiten Schrittes haben.
Die optischen/elektrooptischen Elemente können Flüssigkristallmaterial umfassen, das zwischen der Matrix und der Elektrode mit dem Abstand angeordnet ist, und sie können bistabil oder monostabil sein.
Es ist wünschenswert, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt alle Elemente der Matrix gleichzeitig adressiert werden, um eine Potenzialdifferenz gleich Null darüber anzulegen. Dies dient effektiv dazu, eine definierte Periodendauer für jedes einzelne Element bereitzustellen, während der Gleichspannung darüber angelegt wurde, und ermöglicht folglich, dass der Gleichspannungsabgleich genauer bestimmt wird.
In der bevorzugten Ausführung umfasst die Matrix mehrere sich gegenseitig ausschließende Sätze von den optischen/elektrooptischen Elementen, eine Einrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen der Sätze zu einem Zeitpunkt zu adressieren, und eine Einrichtung, um mehr als einen (und vorzugsweise alle) der mehreren Sätze (die „ausgewählten Sätze") gleichzeitig zu adressieren. In einem solchen Fall enthält ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung eines binären Bildes den Schritt der gleichzeitigen Adressierung aller Elemente der Matrix, nachdem sie geschrieben wurden. Während dieses Schrittes sind die Elemente einem gemeinsamen Signal unterworfen, sodass sie (a) ein Wechselsignal zur Stabilisierung mit Wechselspannung; oder zur elektrostatischen Stabilisierung oder für andere Zwecke (zum Beispiel zur Bereitstellung eines klar definierten Zeitraums, während dem ein Gleichspannungssignal zum Zwecke des Gleichspannungsabgleichs angelegt wird) entweder (b) Null Volt oder (c) eine endliche Gleichspannung empfangen. Wenn Gleichspannung oder Null Volt angelegt werden, kann dies anschließend für die elektrostatische Stabilisierung mit dem Anlegen eines Wechselspannungssteuersignals oder mit dem Abschalten der Elemente, das heißt Leerlauf, beendet werden.
Die Patentanmeldung des vereinigten Königreichs mit der Nummer GB 2247974 A hat zum Gegenstand, ein bestehendes Bild auf eine Weise zu aktualisieren, die dazu entworfen ist, Gleichspannungsfehlabgleich zu vermeiden, woran Bildumkehr effektiv beteiligt ist. Gegenstand ist weder das Schreiben eines neuen Bildes oder neuer Bilder, noch gibt es irgend eine Lehre, die das Schreiben einer Abfolge von (verschiedenen) Bildern betrifft, um den Gleichspannungsabgleich aufrechtzuerhalten. In einer ersten Ausführung werden alle Elemente der Matrix durch eine positive oder negative Spannung während des Abrasterns der Matrix adressiert. In Fällen, in denen es eine feste Spannung der Frontelektrode gibt, ist es klar, dass alle Spaltenelektroden mit positiven oder negativen Spannungen adressiert werden, um eine vollständige (invertierte oder negative) Pixelmatrix auf normale Weise während des Abrasterns zu schreiben, gefolgt von einem erneuten Schreiben des nichtinvertierten Bildes. In Fällen, in denen es nach dem Treiben aller Pixel auf denselben optischen Zustand (Dunkeltasten) eine wechselnde Spannung der Frontelektrode gibt, wird der Zustand eines ausgewählten Satzes von Pixeln umge kehrt, damit sich eine vollständig beschriebene Matrix ergibt. Die Matrix wird nachfolgend auf den entgegengesetzten optischen Zustand dunkelgetastet, und der Zustand des komplementären Satzes von Pixeln wird umgekehrt, damit sich die selbe geschriebene optische Matrix ergibt. Diese Art der Dunkeltastung ist in der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.
Die Patentanmeldung im vereinigten Königreich mit der Nummer GB 2173336 A betrifft ebenso den Gleichspannungsabgleich von Flüssigkristallen, die nur oberhalb einer Schwellspannung umschalten. Eine Zeile oder Sätze von Zeilen werden dunkelgetastet, gefolgt von dem Anlegen von Spaltendaten in Form von bipolaren Datenpulsen mit Gleichspannungsabgleich zusammen mit einem Taktpuls auf der Zeile. Der letztere Puls wirkt mit einem der bipolaren Datenpulse, aber nicht mit den anderen zusammen, um den Zustand eines Pixel zu ändern. Die gesamte Polarität des Aufbaus einschließlich der Polarität des Taktpulses und der Pulse für das Dunkeltasten werden periodisch invertiert (regelmäßig und zufällig), um den Gesamtgleichspannungsabgleich aufrechtzuerhalten. Die Verfahren nach der vorliegenden Erfindung erfordern kein Dunkeltasten, sondern sie können so betrachtet werden, als ob sie wahlweisen Wechsel von Pixeln benötigen, wie es erforderlich ist.
Die internationale Patentanmeldungsnummer WO 92/04710 veröffentlicht eine Anordnung, in der alle Flüssigkristallelemente nur mit „EIN" oder „AUS" angesteuert werden, wenn ein Wechsel des Zustands darin erforderlich ist, sonst bleiben sie nicht adressiert. Jedes Pixel kann deshalb nur wechselnden Einschalt- und Ausschaltpulsen mit genau definierten und gleichen Längen unterworfen werden, was folglich langfristig automatisch Gleichspannungsabgleich leistet.
Die Verwendung von eingreifenden einheitlichen Leerbildern auf die Weise, die bei der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, ist nach diesem Beitrag zur Stand der Technik nicht veröffentlicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung können aus der Betrachtung der Ansprüche im Anhang, auf die der Leser verwiesen sei, und aus der folgenden Beschreibung einer Ausführung der Erfindung abgeleitet werden, die mit Bezug auf die Zeichnungen im Anhang gemacht wird, in denen:
1 in einem schematischem Querschnitt eine Flüssigkristallzelle zeigt, die eine aktive Rückwand enthält und auf einem Substrat montiert ist;
2 eine Explosionsdarstellung von Komponenten der Flüssigkristallzelle in 1 zeigt;
3 ein schematisches Blockschaltbild eines Teils der Schnittstelle in 3 ist, das einen Schaltkreis zeigt, der in enger Verbindung mit der Flüssigkristallzelle steht;
4 eine Draufsicht (Grundriss) der aktiven Rückwand der Flüssigkristallzelle in 1 einschließlich einer zentralen Pixelmatrix ist;
5 ein schematischer Querschnitt eines Teils der Rückwand in 4 ist, um die verschiedenen Schichten und Höhen darzustellen, die im Bereich der Pixelmatrix auftreten; und
6 eine schematische Draufsicht eines einzelnen Pixels der Matrix der Rückwand in 4 ist.
7 und 7a sind Signaldiagramme;
8 ist ein schematisches Schaltbild, das einen Teil der Steuerschaltkreise in 4 zeigt;
9 ist ein schematisches Schaltbild, das einen Teil der Spaltentreiber in 4 zeigt;
10 ist ein schematisches Diagramm, das einen Teil der Zeilenabrasterer in 4 zeigt;
11 zeigt eine Modifikation des Schaltkreises in 9 zum Erhöhen der Anzahl von adressierten Spalten;
12 zeigt Modifikationen von 10 zum Erhöhen der Anzahl von adressierten Zeilen;
13 zeigt Signalformen, mit denen ein Bildschreibschema mit einem Durchlauf dargestellt ist; und
Die 14 bis 16 zeigen Signalformen, mit denen Bildschreibschemata mit zwei Durchläufen dargestellt sind; und
15 zeigt Signalformen, mit denen eine Modifikation des Schemas der 14 dargestellt ist.
1 zeigt in schematischem Querschnitt eine Flüssigkristallzelle 1, die auf einem Dickschicht-Aluminiumoxid-Hybrid-Substrat oder einem Chipträger 2 aufgebaut ist. Die Zelle 1 ist in Explosionsdarstellung in 2 dargestellt. Die Verwendung eines Hybridsubstrats für den Aufbau von elektrooptischen Bauteilen ist detaillierter in un serer ebenfalls eingereichten Anmeldung PCT/GB99/04285, Zeichen: P20957WO diskutiert.
Zelle 1 umfasst eine aktive Silizium-Rückwand 3, in der ein Zentralbereich so gestaltet ist, dass eine Matrix 4 aus aktiven Spiegelpixelelementen entsteht, die in 320 Spalten und 240 Zeilen angeordnet sind. Außerhalb der Matrix, aber mit Abstand zu den Kanten der Rückwand 3 befindet sich eine Versiegelung aus Klebstoff 5, die die Rückwand 3 zum Umfang einer Frontelektrode 6 hin versiegelt. 2 zeigt, dass die Versiegelung unterbrochen ist, um das Einbringen des Flüssigkristallmaterials in die zusammengesetzte Zelle zu ermöglichen, wonach die Versiegelung vervollständigt wird, entweder durch mehr von dem selben Klebstoff, oder durch irgendein anderes geeignetes Material oder eine andere geeignete Einrichtung, die per se bekannt ist.
Die Frontelektrode 6 umfasst ein im Wesentlichen rechteckiges planares Glas- oder Quarzglassubstrat 7, das auf seiner Unterseite, die der Rückwand 3 gegenüberliegt, mit einer durchgehenden elektrisch leitfähigen Indium-Zinnoxidschicht 8 per Siebdruck beschichtet ist. An einer Randseite des Substrats 7 ist ein aufgedampfter Aluminium-Randkontakt 9, der sich um die Kante des Substrats und über einen Teil der Schicht 8 erstreckt, wodurch eine elektrische Verbindung zur Schicht 8 in der montierten Zelle 1 geschaffen wird.
Isolierende Abstandhalter 25, die auf dem Siliziumsubstrat der Rückwand 3 ausgebildet sind, erstrecken sich aufwärts, um die Frontelektrode 6 in einem vordefinierten, genauen und stabilen Abstand von dem Siliziumsubstrat anzuordnen, und das Flüssigkristallmaterial füllt den auf diese Weise definierten Raum. Wie später beschrieben werden die Abstandhalter 25 und die Rückwand 3 auf dem Siliziumsubstrat gleichzeitig mit den Elementen der aktiven Rückwand darauf hergestellt, wobei alle oder wenigstens manche der selben Schritte verwendet werden.
3 ist eine schematische Übersicht der Schaltung auf der Leiterplatte (PCB, Printed Circuit Board) 11, die in engem Zusammenhang mit der Funktionsweise der Zelle 1 steht, hier schematisch als Rückwand 3 und Frontelektrode 6 dargestellt. Die Rückwand 3 empfängt Daten aus einem Speicher 12 über eine Schnittstelle 13, und die Rückwand 3, die Frontelektrode 6, der Speicher 12 und die Schnittstelle 13 werden alle von einem programmierbaren Logikmodul gesteuert, das selbst an den Parallelport eines PCs über eine Schnittstelle 15 angeschlossen ist.
4 zeigt eine allgemeine schematische Ansicht der Gestaltung („Grundriss") der aktiven Rückwand 3. Wie später im Detail mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben wird, besteht jedes Element aus der zentralen Matrix 4 aus aktiven Pixelelementen im wesentlichen aus einem NMOS-Transistor mit einem Gate, das an eine aus einem Satz von Zeilenleiterbahnen angeschlossen ist, eine Drain-Elektrode, die an eine aus einem Satz von Spaltenleiterbahnen angeschlossen ist, und eine Source-Elektrode oder Region, die entweder die Form einer Spiegelelektrode hat oder mit einer Spiegelelektrode verbunden ist. Zusammen mit einem gegenüberliegenden Abschnitt der gemeinsamen Frontelektrode 6 und dem dazwischenliegenden chiralen smektischen Flüssigkristallmaterial 20 bildet die auf der Rückseite angeordnete Spiegelelektrode eine Flüssigkristallpixelzelle, die kapazitive Eigenschaften hat.
Ungerade und gerade Zeilenleiterbahnen sind mit entsprechenden Abrasterern 44 und 45 verbunden, die Abstand zu jeder Seite der Matrix haben. Jeder Abrasterer umfasst einen Pegelschieber 44b und 45b, die zwischen einem Schieberegister 44a und 45a und der Matrix angeordnet sind. Bei der Verwendung wird ein Tokensignal entlang der Register weitergeleitet, um einzelne Zeilen abwechselnd zu aktivieren (die zugeordneten Transistoren leitfähig zu machen), und durch geeignete Steuerung der Register können verschiedene Typen des Abrasterns, z. B. mit Zwischenzeilen (interlaced) oder ohne Zwischenzeilen, wie gewünscht durchgeführt werden.
Ungerade und gerade Spaltenleiterbahnen sind mit entsprechenden Treibern 42 und 43 verbunden, die Abstand zur oberen und unteren Kante der Matrix haben. Jeder Treiber umfasst einen 32-zu-160-Demultiplexer 42a und 43a, Latch-Speicher für das Speisesignal 42b und 43b und Pegelschieber 42c und 43c zwischen den Latch-Speichern und den Spaltenleiterbahnen. Bei der Verwendung werden unter der Steuerung eines 5-phasigen Taktsignals Daten aus dem Speicher 24 für aufeinanderfolgende Sätze von 32 ungeraden oder geraden Spaltenleiterbahnen von Sätzen von Bondflächen 46 und 47 aus zu den Demultiplexern 42a und 43a weitergeleitet, in 42b und 43b in den Latch-Speichern zwischengespeichert, bevor ihre Pegel bei 42c und 43c für die Bereitstellung als Steuerspannungen für die Spaltenleiterbahnen verschoben wird. Synchronisierung zwischen dem Abrastern der Zeilen und dem Ansteuern der Spalten stellt sicher, dass die geeignete Treiberspannung für die Daten über die aktivierten Transistoren einer Zeile an die Flüssigkristallpixel angelegt wird, und zu diesem Zweck werden verschiedene Steuerschaltkreise 48 bereitgestellt.
Nachfolgendes Deaktivieren dieser Zeile versetzt die Transistoren in einem Zustand hoher Impedanz, sodass Ladungen, die den Daten entsprechen, dann für einen verlängerten Zeitraum in den kapaziti ven Flüssigkristallpixeln aufrechterhalten wird, bis die Zeile wieder adressiert wird, z. B. entweder zum Schreiben eines anderen Bildes (oder zum erneuten Schreiben desselben Bildes) oder zur Stabilisierung des bestehenden Bildes.
Wie schematisch in 5 dargestellt ist, basiert die aktive Rückwand auf einem p-Typ-Siliziumsubstrat 51. Im Bereich der Matrix 4 es enthält NMOS-Transistoren 52, Pixelspiegel 53 und isolierende Abstandhaltersäulen 25, und das Substrat 51 ist als erstes mit einer unteren, im wesentlichen durchgehenden Siliziumoxidschicht 57 und dann von einer oberen im wesentlichen durchgehenden Siliziumoxidschicht 58 bedeckt. Die isolierenden Grate, die ähnlich wie die Abstandhalter aufgebaut sind und ähnliche Höhe haben, sind außerhalb des Bereichs der Matrix 41 ausgebildet. Die Funktion der isolierenden Säulen und Grate ist es, einen konstanten und genauen Abstand zwischen der Frontelektrode 92 und dem Siliziumsubstrat 51 sicherzustellen, um Kurzschlüsse zwischen der Rückwand und der Frontelektrode zu verhindern, und elektrische und optische Gleichförmigkeit und Verhalten in der Matrix aus Flüssigkristallpixeln bereitzustellen.
Es sei bemerkt, dass 5 nur eingeschlossen wurde, um verschiedene Höhen darzustellen, die in der Rückwand auftreten, und dass die anderen räumlichen Anordnungen der Elemente nicht notwendigerweise dem entsprechen, was man in der Praxis vorfindet. 6 zeigt eine Draufsicht einer tatsächlichen Anordnung von Transistor und Spiegelelektrode, die im wesentlichen ähnlich der in 5 ist, wobei aber die Säule 25 nicht gezeigt ist. Die Transistoren 52 sind der höchste Punkt in der Schaltung selbst.
Zusätzlich zu diesen Schichten ist der Transistor 52 weiter durch eine metallische Gate-Elektrode 59 auf der Schicht 57 und eine metallische Drain-Elektrode 60 auf der Schicht 58 definiert. Die Elektroden 59 und 60 sind mit einer Zeilenleiterbahn 61 beziehungsweise einer Spaltenleiterbahn 62 verbunden. An dem Transistor 52 ist die Schicht 57 modifiziert, sodass sie einen Polysilizium-Bereich 56 enthält, der durch eine sehr dünne Gate-Oxidschicht 55 von dem Substrat 51 einen Abstand hat.
Der Source-Anschluss des Transistors hat die Form eines großen Diffusionsbereichs 63 in der Schicht 58, die mit der Elektrode 65 des Pixelspiegels 53 verbunden ist, wobei die Gateregion 64 im wesentlichen unter dem Kreuzungsbereich der Spalten- und Zeilenleiterbahnen 61 und 62 angeordnet ist, um den Füllfaktor zu maximieren und sie vor einfällendem Licht zu schützen.
Der Pixelspiegel wird durch die Pixelelektrode 65 auf der Schicht 58 gebildet, wobei die Elektrode aus dem gleichen Metall wie die Drain-Elektrode 60 ist und gleichzeitig mit ihr hergestellt wird. Unter dem größten Teil der Spiegelelektrode 65 ist ein Verarmungsbereich 66 in das Substrat 51 eingebracht. In dem aufgebauten Bauteil haben die Pixelelektroden von der gegenüberliegenden Frontelektrode einen Abstand von etwas weniger als 2 Mikrometer, zwischen denen smektisches Flüssigkristallmaterial 20 eingebracht ist.
Der Pixelspiegel ist im wesentlichen eben, da es keine darunterliegenden diskreten Elemente des Schaltkreises gibt, und belegt einen Anteil (Füllfaktor) von ungefähr 65% der Pixelfläche. Die Notwendigkeit, den Füllfaktor zu maximieren, ist eine Überlegung bei der Entscheidung, eine Rückwand vom DRAM-Typ statt des SRAM-Typs ein zusetzen, bei dem den zwei Transistoren und ihren zugehörigen Elementen mehr Raum gewidmet werden muss.
Eine isolierende Säule oder ein isolierender Pfosten 54 , der jedem Pixel zugeordnet ist, erstreckt sich über die Topologie des Restes der Rückwand 21, besteht aber auch aus den Schichten 57 und 58 über dem Substrat 51 mit einer ersten Metallschicht 67 zwischen den Schichten 57 und 58, und einen zweiten Metallschicht 68 zwischen der Schicht 58 und (bei der Verwendung) der Frontelektrode 22. Die erste und zweite Metallschicht 67 und 68 bestehen aus denselben Metallen, und werden zur gleichen Zeit abgeschieden, wie die Elektroden 59 und 60 des Transistors 52. Im Bereich des Abstandhalters ist das Substrat modifiziert, um eine flächige Oxidschicht 69 bereitzustellen, und die Unterseite von Schicht 57 ist modifiziert, um zwei Polysiliziumschichten 70 und 72 bereitzustellen, die durch eine dünne Oxidschicht 71 einen Abstand voneinander haben.
Obwohl er metallische Schichten enthält, bietet der Abstandhalter gute Isolierung zwischen der Frontelektrode und der aktiven Rückwand. Indem isolierende Abstandhalter auf diese Weise gestaltet werden, ist es möglich, sie relativ zu anderen Elementen auf der Rückwand präzise anzuordnen, wodurch jegliche Störungen mit optischen oder elektrischen Eigenschaften vermieden werden, und indem sie zum selben Zeitpunkt wie die aktiven und anderen Elemente der Rückwand mit denselben Prozess erzeugt werden, gibt es Vorteile hinsichtlich Kosten und Effizienz.
Wie oben erwähnt hat eine Pixelzelle, die auf diese Weise gebildet wird, eine Kapazität. Chirale smektische Flüssigkristallmaterialien sind ferroelektrisch, sodass das Anlegen eines elektrischen Feldes, das ausreicht, um eine Neuausrichtung der Moleküle zu verursa chen, mit einer zusätzlichen Ladungsübertragung verbunden ist. Dieser Effekt ist insofern mit einer Zeitkonstante verbunden, als das Flüssigkristallmaterial Zeit braucht, um sich neu auszurichten.
Die Notwendigkeit, dass Ladung während der Neuausrichtung fließt und die zugehörige Zeitkonstante haben mehrere Folgen. Während die Neuausrichtung relativ schnell sein kann, kann sie insbesondere immer noch viel zu langsam sein, als es für ein schnelles Abrastern des Bauteils erforderlich ist.
Mit einer Rückwand vom SRAM-Typ wird der Zustand eines Pixels bis zur nächsten Adresse aufrechterhalten, und kann mit Leistung, die durch einen Strom aus einem Bus geliefert wird, versorgt werden, bis eine Neuausrichtung beendet ist. Bei einer Rückwand vom DRAM-Typ wird jedes Pixel jedoch nur während des Adressierungszeitraums mit Leistung versorgt. Die Kapazität der Zelle ist relativ klein und kann keine ausreichende Ladung speichern, damit die Neuausrichtung beendet wird.
Eine Art, mit diesem Problem umzugehen, ist, jedes Pixel mit einer zusätzlichen „Schluck"-Kapazität auszustatten, die schnell geladen wird, wenn das Pixel adressiert wird, wobei seine Ladung danach verbraucht wird, wenn sich die Moleküle des Flüssigkristalls neu ausrichten und nachfolgende Pixel adressiert werden. Folglich vermeidet die Schluckkapazität, dass ein Adressierungspuls so lang wie die Zeit für die Neuausrichtung sein muss.
In 5 bildet die Diffusionsschicht 66 bei der Verwendung eine umgekehrt vorgespannte Diode, deren Verarmungsbereich als Schluckkapazität arbeitet.
Der smektische Flüssigkristall, der in der Ausführung verwendet wird, hat eine monostabile Ausrichtung, sodass es für das Pixelelement vom DRAM-Typ unentbehrlich ist, den Umfang der Ladungsleckage zu begrenzen, um in dem geschalteten Zustand zu verbleiben, bis es das nächste Mal adressiert wird. In gewissem Sinne ist die Tatsache, dass es eine zusätzliche Ladungsverschiebung während der Neuausrichtung gibt, dadurch hilfreich, dass der Umfang des Leckens der Ladung, der Relaxation zum ursprünglichen Zustand ermöglicht, relativ groß ist.
Anders als bei einem herkömmlichen eingekapselten Computer-DRAM kann beleuchtendes Licht zu der Rückwand durchtreten. Wenn es empfindliche Elemente erreicht, kann Photoleitfähigkeit die Relaxation des Pixels in kürzerer Zeit als die Periodendauer des Abrasterns ermöglichen, und es sollte nicht ermöglicht werden, dass dies geschieht. Die Schritte, die hierfür unternommen werden müssen, sind (a) den Durchtritt von Licht zu empfindlichen Elementen so weit wie möglich zu verringern; und (b) die Effekte von irgendwelchem Licht, das trotzdem immer noch durchdringt, zu verringern.
In den 5 und 6 ist Schritt (a) insofern realisiert, als der Transistor 52, und insbesondere seine Gate-Region im wesentlichen unterhalb der metallischen Leiterbahnen 60 und 61 angeordnet ist, und dass die Diode, die durch die Region 66 erzeugt wird, die besonders photoempfindlich ist, zum größten Teil von der Spiegelschicht 65 verdeckt ist. Weitere Details bezüglich der Schluckkapazität und dem Vermeiden von Effekten der Photoleitfähigkeit kann in unserer ebenfalls eingereichten Anmeldung PCT/GB99/04279, Zeichen: P20960WO gefunden werden.
Während der Füllfaktor von 65% in den Anordnungen der 1 bis 6 ausreichend hoch ist, um akzeptabel zu sein, ist die Effektivität der Spiegelelektrode nicht optimiert, da deren Material mit dem identisch ist, das bei der Herstellung der aktiven Elemente der Rückwand verwendet wird.
Es ist normale Praxis bei der Herstellung von Halbleitern, als oberstes auf Rückwände kontinuierliche isolierende Schichten aufzubringen, die über die gesamte Ebene abgeschieden werden, und um Anordnungen nach den folgenden Figuren herzustellen, es erforderlich, diese Isolierschicht zu entfernen, oder zu vermeiden, dass sie als erstes aufgebracht wird.
Durch die Anwendung von teilweiser oder vollständiger Planarisierung auf die Rückwand kann der Füllfaktor und die Reflektivität der Spiegelelektrode gesteigert werden.
Bei teilweiser Planarisierung wird die oberste Isolierschicht beibehalten, aber mit Durchkontaktierungen, die sich bis zu den darunter liegenden Elektrodenanschlussflächen 65 erstrecken, die klein sein können, da sie nicht mehr als Spiegel fungieren. Eine entsprechende hochreflektive Spiegelschicht wird über dem Großteil des Pixelbereichs abgeschieden und mit seiner Durchkontaktierung verbunden.
Die Konstruktion hat u. a. die Vorteile eines hohen Füllfaktors, eine hochreflektiven Spiegelelektrode und verringerten Durchtritt von Licht zu dem darunterliegenden Halbleitermaterial. Während bevorzugt wird, die isolierenden Säulen und Grate beizubehalten, um die Frontelektrode zu halten und den Abstand relativ zur Rückwand herzustellen, und so den Füllfaktor leicht zu verringern, enthalten diese nun die zusätzliche obere Isolierschicht. Der einzige Schritt nach der Halbleiterherstellung ist die Abscheidung des reflektiven Spiegelmaterials. Es sei angemerkt, dass das letztere wegen der darunter liegenden Struktur der Rückwand nicht so eben ist wie zuvor.
Vollständige Planarisierung ist ein bekannter Prozess, bei dem die Topologie der Rückwand effektiv entfernt wird, indem sie mit einem Isoliermaterial, z. B. einem Polymer, gefüllt wird. Dies kann wiederum mit der vorhandenen Rückwand realisiert werden, wobei die oberste Isolierschicht bei der Halbleiterherstellung aufgebracht werden kann oder nicht, und mit sehr ebenen hochreflektiven Spiegelelektroden, die über allen Pixeln mit einem hohen Füllfaktor abgeschieden sind. Obwohl das Produkt dieselben Vorteile wie teilweise Planarisierung hat, und eine überlegene Leistung hat, enthält seine Produktion durch vorhandene Techniken jedoch eine Anzahl von Schritten nach der Halbleiterherstellung, von denen manche nicht leicht oder effektiv ausgeführt werden können (z. B. das Sicherstellen der Ebenheit des Isoliermaterials), wird es im Moment nicht bevorzugt.
Dem chiralen smektischen Flüssigkristallmaterial wird eine gewünschte Ausrichtung an der Oberfläche von einem oder beiden Substraten durch Maßnahmen gegeben, die per se bekannt sind. Im Falle der aktiven Halbleiter-Rückwand wird die teilweise oder vollständige Planarisierungsschicht bearbeitet, wenn sie vorgesehen ist.
Schaltkreis
Die so weit beschriebene Ausführung hat eine rechteckige Pixelmatrix von 320 Spalten und 240 Zeilen, wobei die Spalten von parallelen Datenleitungen versorgt werden und die Zeilen aktiviert werden, um die empfangenen Daten zu empfangen oder der Reihe nach auf sie in einer gewünschten Abfolge zu reagieren. Die Matrix hat die halbe Standard-VGA-Auflösung in jeder Richtung. Es wäre wünschenswert, die Auflösung der Matrix auf den VGA-Standard zu steigern, und dies wird später in Bezug auf eine Modifikation beschrieben.
In Abhängigkeit der Art und Weise, auf die sie angesteuert wird, und des Wertes der angelegten Spannung kann die vorliegende Ausführung eines räumlichen Lichtmodulators mit smektischem Flüssigkristall mit einer Zeilenfrequenz von mindestens 10 MHz und einer Bildrate von bis zu 15 bis 20 Kilohertz getrieben werden, was eine Dateneingabe von ungefähr 1 bis 1,5 GPixel pro Sekunde erfordert. Während die Zeit für die Pixeladressierung um 100 Nanosekunden liegt, braucht das Pixel typischerweise um 1 bis 5 Mikrosekunden, um zwischen den optischen Zuständen umzuschalten; und während die Gesamtschreibzeit für ein Bild in der Größenordnung von 24 Mikrosekunden liegt, liegt die Periodendauer vom Schreiben eines Bildes zum nächsten um 80 Mikrosekunden.
Die Ungleichheit zwischen der tatsächlichen Bildrate des räumlichen Modulator und der potenziellen Bildrate der Matrix (um 80 kHz), wie sie durch die Zeilenfrequenz bestimmt wird, entsteht aus einer Vielzahl von Faktoren, wie etwa der Zeit, die erforderlich ist, um die Pixelelemente vollständig umzuschalten (die signifikant größer als die Adressierungszeit der Leitung oder des Pixels ist), und während dieser Zeit wird Ladung aus der Kapazität der Zelle und der Schluckkapazität gezogen; das Erfordernis, die Matrix dunkelzutasten, um den Gleichspannungsabgleich zu ermöglichen; und optischer Zugang zu dem räumlichen Lichtmodulator zwischen dem Schreiben aufeinanderfolgender Bilder.
Ein Haupttakt arbeitet bei 50 MHz. Von dem Haupttakt CL werden die Signalformen NTE, NTO, NISE, NISO, NC0 bis NC4 auf bekannte Weise abgeleitet, die in den 7 und 7a gezeigt sind. Das „N" am Anfang bedeutet die Verwendung negativer Logik, in der Signale im Low-Zustand aktiv sind. Wenn sie verwendet werden, haben die Inversen dieser Signale dieselbe Terminologie außer dem anfänglichen „N". Die letzten Buchstaben „E" und „O" beziehen sich auf gerade und ungerade („Even" und „Odd"), die für die Zeilen und Spalten der Matrix zur Anwendung kommen.
8 stellt Teile der Steuerschaltkreise 48 in 4 dar. Hier und in 7 gibt es weitere Signale NSAR und NRAR zum Setzen aller Zeilen (um die Matrix dunkelzutasten) beziehungsweise zum Zurücksetzen aller Zeilen (um das erneute Schreiben der Matrix zu ermöglichen).
8(a) zeigt die Ableitung von 5 nicht überlappenden Takten (N)CC0 bis (N)CC4 bei der 10 MHz-Zeilenfrequenz aus den Signalen NC0 bis NC4 für die Verwendung bei der Steuerung der Spaltentreiber 42 und 43, wenn das Signal NSAR inaktiv ist.
Wie schon mit Bezug auf 4 gezeigt, wird eine Gruppe von 32 ankommenden parallelen Datenleitungen von dem Treiber 42 oberhalb der Matrix 1:5 in die 160 geraden Spalten demultiplexiert, und eine komplementäre Gruppe von 32 ankommenden parallelen Datenleitungen wird von dem Treiber 43 unterhalb der Matrix 1:5 in die 160 ungeraden Spalten demultiplexiert. Ansonsten sind die Treiber 42 und 43 gleich eingerichtet.
9 zeigt einen von 32 gleichen Schaltkreisen des Treibers 42, jeder für eine jeweilige einzelne Spalte in einem ersten Satz von 32 geraden Spalten. Ein Datensignal DD von einem Eingang 131, der mit jeweils einer der 32 eingangs Datenleitungen verbunden ist, wird von einem Gatter 132 während der aktiven Periode des Taktes NCC0 ge sendet und auf dem Kondensator am Gate eines Inverters 133 gespeichert, bis ein Gatter 134, das von dem Taktpuls NCC4 gesteuert wird, die Übertragung des Signals zu einem Latch-Speicher 135 erlaubt. Der Latch-Speicher 135 ist bistabil und besteht hauptsächlich aus zwei Invertern, die über ein weiteres Gatter 136, das auch von dem Gatepuls CC4 gesteuert wird, zu einem Ring zusammengeschlossen sind, sodass der Ring geöffnet wird, wenn das Signal zu dem Latch-Speicher über das Gatter 134 zu dem Latch-Speicher übertragen wird, und danach geschlossen wird, um das Signal an dem Ausgang des Latch-Speichers zu halten. Der Ausgang des Latch-Speichers ist mit der Spaltenleiterbahn über einen Pegelschieber 137 und zwei in Reihe angeschlossene Puffer 138 verbunden.
Die gesamte Anordnung für den ersten Satz von Spaltenleiterbahnen ist für die verbleibenden vier Sätze mit denselben 32 Eingangsdatenleitungen repliziert, aber mit jeweils verschiedenen Taktsignalen NCC1 bis NCC4 auf dem ersten Gatter 132, wie sie jeweils geeignet sind. Die Signale, die an die Gatter 134 und 136 angelegt werden, bleiben als NCC4 und CC4 erhalten, sodass Datensignale für eine ganze Leitung gleichzeitig an alle 320 Spalten als Reaktion auf das Signal NCC4 angelegt und dort bis zum nächsten Puls NCC4 aufrechterhalten werden.
Wenn NSAR aktiv ist, ignoriert dies die Taktpulse NCC0 bis NCC4, was alle 320 Spalten für die 64 Dateneingangsleitungen gleichzeitig verfügbar macht.
8(b) zeigt die Ableitung von 5 nicht überlappenden Takten (N)CR0 bis (N)CR4 mit der 10 MHz-Zeilenfrequenz aus den Signalen NC0 bis NC4 für die Verwendung bei der Steuerung der Spaltentreiber 44 und 45, wenn die Signale NISO und NISE inaktiv sind.
Wie schon mit Bezug auf 4 gezeigt, werden gerade und ungerade Zeilen der Matrix durch entsprechende Abrasterer 44 und 45 getrieben (aktiviert), die jeder ein Schieberegister mit zugeordnetem Pegelschieber an ihren Ausgängen oder 120 daneben angeordnete Ausgänge davon umfasst. Jede Stufe der Schieberegister ist vollständig bistabil und durch die Taktpulse NCR0, NCR2 und NCR24 gesteuert. Ein einzelner Tokenpuls NTE, NTO wird in die erste Stufe des entsprechenden Schieberegister zu Beginn jedes Bildes eingegeben, und wird dann in dem Register auf die erforderliche Art und Weise in Abhängigkeit des erforderlichen Typs des Abrasterns heruntergetaktet.
10 zeigt eine einzelne Stufe des Abrasterers für die ungeraden Zeilen 44 nach der bevorzugten Ausführung, der eine zugeordnete Pegelschiebeeinheit 141 des Pegelschiebers 44b enthält, der zwischen der einzelnen Stufe 140 des Schieberegisters 44a und zwei Puffern 149 angeschlossen ist. Der Abrasterer für die geraden Zeilen 45 ist auf gleiche Weise eingerichtet.
Die Stufe 140 umfasst ein Paar von invertierenden logischen Gattern 143 und 144, die über ein Übertragungsgatter 145 zu einem Ring zusammengeschlossen sind. Der Eingang 142 des logischen Gatters 143 ist gewöhnlich mit dem Ausgang des Gatters 145 und mit dem Ausgang eines Übertragungsgatters 146 verbunden, das bewirkt, dass der Ausgang 147 (Token-NTE) von einer vorangehenden Stufe in dem Register empfangen wird. Die Gatter 145 und 146 werden jeweils von invertierten Taktsignalen NCR0 und CR0 aktiviert, wodurch der Ring unterbrochen wird, wenn das Signal von dem Übertragungsgatter 146 zu dem Eingang von Gatter 143 weitergeleitet wird, und nachfolgend neu geformt wird, um das invertierte empfangene Signal an einem Ausgangspunkt 148 aufrechtzuerhalten.
Die Gatter 143', 144', 145' und 146' sind auf ähnliche Weise wie die Gatter 143 bis 146 angeordnet und arbeiten ähnlich, aber als Reaktion auf die Taktpulse NCR4 und CR4, wodurch das Invertierte des Signals an der Stelle 148 am Ausgangspunkt 148' gehalten wird, wo sein Pegel von dem Schaltkreis 121 verschoben und zu der entsprechenden Zeile übertragen wird. Folglich wird jede Zeile der Reihe nach als Reaktion auf das Signal NCR4 aktiviert.
Jedes der Gatter 143, 144 und 144' ist ein NAND-Gatter mit drei Eingängen. Der zweite Eingang in die Gatter 143 und 144' ist das Signal NSAR, der zweite Eingang in die Gatter 143' und 144 ist das Signal NRAR, und der dritte Eingang in das Gatter 143' ist ein Signal NCR2'. Wenn die Signale NSAR, NRAR und NCR2' inaktiv sind, arbeiten die Gatter als Inverter und die Ringe sind bistabil.
Das Signal NCR2' wird wie in 8(c) abgeleitet. Es ist gleich dem Signal NCR2, wird aber ignoriert, wenn das Signal NSAR aktiv ist. Wenn NSAR in aktiv ist, ist der Effekt von dem Taktsignal NCR2, sicherzustellen, dass der zweite Ring zurückgesetzt ist, und die Zeile deaktiviert wird, bevor die nachfolgende Zeile aktiviert wird, was folglich sicherstellt, dass die Datenlieferung an eine einzelne Zeile geht, und dass dort keine Überlappung derselben Daten zwischen Zeilen auftreten kann.
Das Steuersignal NSAR bewirkt, dass das Signal NCR2' deaktiviert wird und alle Ausgänge des Registers gesetzt (in den Latch-Speicher geschrieben) werden, wodurch alle Zeilen auf die Art und Weise für das Dunkeltasten aktiviert werden, die zu Beginn dieses Abschnitts beschrieben wurde. Das Steuersignal NRAR bewirkt danach, dass alle Zeilen wieder ausgeschaltet werden. Folglich setzt das Signal NSAR den normalen Betrieb der Schieberegister außer Kraft.
Die Reaktion auf das Signal NSAR ist folglich (a), dass die Spaltentaktsignale NCC0 bis NCC5 ignorieren werden, sodass alle fünf Sätze von Spalten gleichzeitig mit Daten von den 64 Dateneingängen versorgt werden, und (b) die Taktpulse NCR2' und das normale Verhalten der Register außer Kraft zu setzen, und alle Zeilen in einen Latch-Speicher zu schreiben. Dies ermöglicht, dass die gesamte Pixelmatrix gleichzeitig dunkelgetastet wird.
Anders als bei der ersten Einführung der Tokens NTO und NTE sind die Signale in NISE und NISO komplementär. Wenn sie aktiv sind, ist ihre Wirkung, dass die Erzeugung der rohen Taktpulse (N)CR0 bis (N)CR4 verhindert wird, 8(b). Auf diese Weise ist nur eines der Schieberegister 44a und 44b zu einem Zeitpunkt aktiv, was es ermöglicht, die Art und Weise zu steuern, auf die die Tokens entlang der Zeilen weitergegeben werden. Wenn zum Beispiel wie gezeigt NISE und NISO derart abgeleitet werden, dass sie die halbe Zeilenfrequenz haben, werden die Register abwechselnd aktiviert, um ein fortschreitendes Abrastern der Zeilen oder ein Abrastern mit Zwischenzeilen die Matrix hinunter zu liefern. Eine Alternative wäre, die Signale NISE und NISO in Form von Pulsen mit der Hälfte der Periodendauer der Bildadressierung bereitzustellen, sodass das eine Register vollständig abgerastert und dann das andere Register vollständig abgerastert wird, was folglich ein Abrastern mit Zwischenzeilen liefert.
Andere Modi sind möglich, zum Beispiel das Aktivieren je einer aneinandergrenzenden ungeraden und geraden Zeile gleichzeitig, was die doppelte Bildrate, aber die halbe vertikale Auflösung ergibt.
Obwohl die Schieberegisterstufen in dieser Ausführung dazu eingerichtet sind, direkt eine Reaktion auf die Signale NS AR und NRAR zu liefern, ist es klar, dass alternative Einrichtungen als separate Ein heit zwischen den Registern und den Zeilen bereitgestellt werden können, zum Beispiel ein ODER-Gatter für NSAR und ein UND-Gatter für NRAR, die in Reihe zwischen einen Ausgang des Registers und die zugehörige Zeile geschaltet sind.
VGA-Auflösung
In einer Modifikation der vorliegenden Erfindung wird der einzelne Pixelspiegel und das aktive Element durch eine Gruppe von vier (zwei mal zwei) mit einer entsprechenden Verdopplung der Adressleitungen der Zeilen und Spalten ersetzt. Um die Verdopplung der Adressleitungen in jeder Dimension unterzubringen, sind die Spaltentreiber und die Zeilenabrasterer mit 1:2-Demultiplexern ausgestattet.
Die Spaltenschaltkreise werden bloß in ihrer Anzahl verdoppelt, wobei jedes Paar CA und CB abwechselnd durch die Übertragungsgatter 150 und 151 mit komplementär angesteuerten Steuereingängen 152 und 153 aktiviert wird, wie schematisch in 11 dargestellt ist.
Die 12a bis 12c stellen drei mögliche Schaltbilder für die Zeilenabrasterer dar. In dem bevorzugten Schaltbild in 12a werden die Logikgatter 160 und 161 zwischen dem Ausgangspunkt 148' und entsprechenden Pegelschieber 141 und Puffern 149 angeordnet. Die zweiten Eingänge 162 und 163 der Gatter werden auf komplementäre Weise angesteuert, um entweder das obere oder untere Paar von Pixeln RU oder RL zu aktivieren.
Wie doch schematisch in den 12b und 12c gezeigt ist, kann das Demultiplexieren nach dem Pegelschieber 141 beziehungsweise an den Gattern 164 und 165 zwischen dem Pegelschieber 141 und den abschließenden Ausgangsstufen 149' oder an den Gattern 166 und 167 durchgeführt werden, die auch die abschließende Ausgangsstufe darstellen.
Es ist klar, dass durch geeignete Steuerung der Signale 152 und 153, und/oder 162 und 163 verschiedene andere Modi des Schreibens der Matrix möglich sind, z. B. 4:1-Schemata für Zeilen mit Zwischenzeilen.
In dieser Modifikation ist das Verhältnis von Spiegelfläche zu Pixelfläche verringert, und man muss aufpassen, dass die darunterliegenden aktiven Elemente von einfallendem Licht abgeschirmt sind. Das Verhältnis der gesamten Pixelkapazität zur Kapazität der Flüssigkristallzelle ist auch etwas verringert, von 10:1 auf 8,4:1. Nichtsdestotrotz wird der Kompromiss mit erhöhter Auflösung insgesamt nicht als zu nachteilhaft betrachtet.
Betrieb
Räumliche Lichtmodulation bietet Möglichkeiten sowohl bei der optischen Verarbeitung, z. B. in holografischen, als auch in Schaltanwendungen, bei denen die Anforderungen bezüglich Faktoren wie etwa zeitlichem Ablauf, Stabilität der Beleuchtung, Betrachtungslänge usw. im allgemeinen sehr streng sind. Dem wäre entgegenzusetzen, dass die meisten optischen Verarbeitungen nur binäre Modulation über die Bildebene erfordern.
Für Anzeigezwecke ermöglichen Unterbringung und zeitliche Mittelwertbildung durch das Auge mehr Spielraum in Bezug auf die zuvor genannten Faktoren, aber es ist sehr häufig erforderlich, eine Graustufenmodulation über den Anzeigebereich bereitzustellen.
Es gibt viele Arten, auf die ein räumlicher Lichtmodulator nach der bevorzugten Ausführung angesteuert werden kann, teilweise wegen der Vielseitigkeit, die der Entwurf der aktiven Rückwand leistet.
(a) Binäre Stufung/Graustufung
Folglich gibt es zum Beispiel eine Wahl zwischen binärer Stufung und Graustufenmodulation. Graustufenmodulation selbst kann entweder auf analoge Weise durch geeignete Steuerung der Amplitude der Spannung erreicht werden, die über jedes Pixel angelegt wird (durch den elektroklinen Effekt, der zuvor erwähnt wurde), aber vorteilhafterweise wird das Matrix für Anzeigezwecke variabler zeitlicher Modulation unterworfen, um eine scheinbare Graustufung bereitzustellen. Noch vorteilhafter wird das Matrix auf diese Weise auf digitaler Basis angesteuert. Dieser Aspekt wird unten detaillierter und auch in unserer ebenfalls eingereichten Anmeldung PCT/GB99/04260, Zeichen: P20963WO beschrieben.
(b) Mehrfache Aktualisierung
Das Flüssigkristallmaterial kann wiederum eine Relaxationszeit von ausreichender Länge besitzen, um den gewünschten Zeitraum zwischen der Erzeugung aufeinanderfolgender Bilder abzudecken, oder nicht. Wenn es dies nicht tut, muss das Bild mehr als einmal geschrieben werden, um den gewünschten Zeitraum zu bekommen. Die hohe Schreibgeschwindigkeit, die in der Ausführung verfügbar ist, ist in dieser Hinsicht beim Erhöhen des Anteils der Gesamtzeit nützlich, in der ein Bild verfügbar ist.
(c) Frontelektrodenspannung
Darüber hinaus und ganz allgemeinen kann die Spannung, die zwischen der gemeinsamen Frontelektrode und den aktiven Rückwandelementen angelegt wird, auf wenigstens zwei Arten verwaltet werden.
Angenommen, dass die gesamte Spannung, die von der Rückwand verfügbar ist, V ist, dann ist es möglich, die Frontelektrode auf V/2 zu setzen, wodurch alle Pixelelemente ein- oder ausgeschaltet werden, wie es während des Abrasterns eines einzelnen Bildes gewünscht wird. Der Preis ist u. a., dass eine geringeren Spannung V/2 über jedes Pixel anliegt und die Schaltzeiten länger sind.
Alternativ kann die Frontelektrode abwechselnd auf V und 0 getrieben werden, wobei die Rückwand synchron angesteuert wird, um ausgewählte Pixel während eines Abrasterns eines Bildes einzuschalten und andere ausgewählte Pixel während des anderen Abrasterns des Bildes auszuschalten. Die Spannung, die an jedes Pixel angelegt wird, ist höher, und liegt bei V, was folglich die Schaltgeschwindigkeit steigert, aber mit der Notwendigkeit, für den gesamten Dateneintrag zwei Bilder abzurastern.
Diese zwei Verfahren werden im folgenden als „ein Durchlauf ^` beziehungsweise „zwei Durchläufe" genannt. In dieser Ausführung ermöglicht das Vorgehen mit einem Durchlauf bei den höchsten verwendbaren Spannungen eine etwas höhere Bildrate.
Diese und andere Betrachtungen, wie etwa, ob insgesamt Gleichspannungsabgleich erreicht wird (und, wenn dem so ist, die Zeitdauer, über die der Gleichspannungsabgleich erreicht werden soll), legen genau fest, wie die räumliche Lichtmodulation betrieben wird.
Vorgehen mit einem Durchlauf
13 stellt Spannungssignalverläufe dar, die bei einem Vorgehen mit einem Durchlauf verwendet werden können, wenn die Spannung der Frontelektrode VFE bei V/2 liegt. Die Spannung Vpad einer Spiegelelektrode von Pixeln DUP an einer adressierten Leitung, die von aus auf ein umgeschaltet werden sollen, werden von den Spaltenelektroden auf einen Wert V getrieben, und für Pixel UDP, die von ein auf aus umgeschaltet werden sollen, werden die Spiegelelektroden auf Spannung gleich Null getrieben. Die resultierende Spannung über die Flüssigkristallzelle ist VLC. Das unter Spannung Setzen benötigt ungefähr 10ns, obwohl 100ns in der Ausführung tatsächlich erlaubt sind. Eine signifikant längere Zeitdauer T ist für das tatsächliche Umschalten von Pixeln möglich, wobei alle Elektrodenspannungen der Pixel (Vpad) auf die Spannung V/2 zurückgeschaltet werden, indem die Spannung auf die Phasenschieber geändert wird, und entweder ein zweites Abrastern oder ein Setzen/Zurücksetzen-Vorgang mit den Signalen NSAR und NRAR durchgeführt wird, um alle Pixeltransistoren ein- und auszuschalten, wie in 13a gezeigt ist. Das Zurückschalten der Pixel auf V/2 stellt sicher, dass die Länge des Anliegens von Gleichspannung wohldefiniert und wiederholbar ist.
In den 13a und 13b bedeutet der Puls 131 die Auswahl einer einzelnen Zeile, T_L bedeutet den Zeitraum, um die Matrix zu laden (einschließlich einem Zeitraum, in dem der Flüssigkristall die Neuausrichtung abschließt) und T_R ist der Zeitraum, über den das Bild gelesen wird, wobei nur der Beginn dieser Zeitdauer gezeigt ist. Der Puls 132 bedeutet entweder die Auswahl einer einzelnen Zeile während eines zweiten Abrasterns, oder globale Zeilenauswahl für die Setzen/Zurücksetzen-Option.
Die Setzen/Zurücksetzen-Option ist schneller und wird bevorzugt. Während die Länge des Anlegens von Gleichspannung auf alle Pixel wegen der endlichen Zeit, in der die Matrix geschrieben wird, von Zeile zu Zeile verschieden ist, wenn die Setzen/Zurücksetzen-Option verwendet wird, ist dies unwesentlich, da die Länge des Anlegens von Gleichspannungspulsen an das gleiche Pixel von Bild zu Bild gleich ist, und dies ist der entscheidende Faktor, wenn man den Gleichspannungsabgleich betrachtet. In jedem Fall wird der Transistor nachfolgend ausgeschaltet, was elektrostatische Stabilisierung ermöglicht (siehe später).
Da alle Pixel während jedes Abrasterns eines Bildes unter Spannung gesetzt werden, werden Flüssigkristallelemente, die von Bild zu Bild gleich bleiben, wiederholt in dieselbe Richtung getrieben, und dies kann Probleme beim Erreichen des Nullabgleichs der Gleichspannung entstehen lassen.
Darüber hinaus kann das Zurückschalten aller Pixelelektroden auf V/2 Probleme entstehen lassen, wenn die Photoleitfähigkeit signifikant ist. In einem solchen Fall wird es bevorzugt, nach dem Schreiben des Bildes synchron mit dem Zurückkehren der Spannung der Frontelektrode VFE auf Null Volt alle Pixelelektroden auf Null Volt zu schalten, wie es in 13b gezeigt ist.
Vorgehen mit zwei Durchläufen
14 zeigt Spannungssignalformen, die bei einem Vorgehen mit zwei Durchläufen über die zwei Zeiträume für das Abrastern eines Bildes oder die Durchläufe P1 und P2 verwendet werden können, die erforderlich sind, um die ganze Matrix zu schreiben. In dem ersten Durchlauf P1 werden ausgewählte Pixel adressiert, um sie optisch einzuschalten, in dem zweiten Durchlauf P2 werden ausgewählte Pixel adressiert, um sie optisch auszuschalten. Für Zeitdauer außerhalb der Durchläufe haben alle Spannungen einen Gleichanteil von Null, optional mit einer Wechselspannung mit niedrigem Pegel zur Stabilisierung der geschalteten Zustände mit Wechselspannung.
Diagramm (i) zeigt die Spannung VFE einer Frontelektrode, die nur für die Dauer des zweiten Durchlaufs P2 auf V Volt erhöht wird.
Die Diagramme (ii) und (iii) sind Diagramme der Spannung Vpad auf den Anschlussflächen der Pixelspiegel, die jeweils auf An oder AUS geschaltet werden. Während des ersten Durchlaufs („AN-Feld") können irgendwelche Anschlussflächen von Null Volt auf V Volt geschaltet werden. Eine erste globale Dunkeltastung BV wird angewendet, um zwischen den zwei Durchläufen alle Spiegelanschlussflächen auf V Volt zu treiben. Während des zweiten Durchlaufs können irgendwelche Anschlussflächen von V auf Null Volt geschaltet werden. Eine zweite globale Dunkeltastung B0 wird angewendet, um am Ende des zweiten Durchlaufs alle Anschlussflächen auf Null Volt zu treiben. Die Dunkeltastungen BV und B0 werden im wesentlichen synchron mit dem Schalten der zweiten (Front-) Elektrode angewendet.
Diagramm (ii) zeigt die Spannung an einer Anschlussfläche eines ausgewählten Pixels, das während des Abrasterns der Zeilen im ersten Durchlauf eingeschaltet werden soll, um auf diese Weise einen Puls mit positiver Potenzialdifferenz über das zugehörige Flüssigkristallelement zu liefern, wie in Diagramm (iv) gezeigt ist. Nach dem ersten Durchlauf bewirkt die erste globale Dunkeltastung BV in Verbindung mit dem Schalten von VFE, dass die Potenzialdifferenz über alle Flüssigkristallelemente auf Null reduziert wird, unabhängig davon, ob sie geschaltet wurden oder nicht, wobei beide Seiten der Flüssigkristallzellen nun auf V Volt liegen.
Diagramm (iii) zeigt die Spannung an einer Anschlussfläche für ein ausgewähltes Pixel, das während des Abrasterns der Zeilen im zweiten Durchlauf ausgeschaltet werden soll, um auf diese Weise eine negative Potenzialdifferenz über das zugehörige Flüssigkristallelement zu liefern, wie im Diagramm (v) gezeigt ist. Nach dem zweiten Durchlauf bewirkt die globale Dunkeltastung B0 in Verbindung mit dem Schalten von VFE, dass die Potenzialdifferenz über alle Flüssigkristallelemente auf Null reduziert wird, unabhängig davon, ob sie geschaltet wurden oder nicht, wobei beide Seiten der Flüssigkristallzellen nun auf Null Volt liegen.
Jedes Pixel, das (als eine Option) während beiden Durchläufen nicht adressiert wird, hat eine Spannung auf der Anschlussfläche, die ausschließlich dem Effekt der Dunkeltastungen BV und B0 zuzuschreiben ist. Wie oben bemerkt sind BV und B0 im wesentlichen synchron mit dem Schalten von VFE, sodass diese Pixel während der zwei Durchläufe Potenzialdifferenz gleich Null erfahren. In allen Fällen muss die zeitliche Abstimmung von BV und B0 derart sein, dass kein ungewolltes Schalten von Pixeln auftritt.
Obwohl die zwei Durchläufe als unmittelbar aufeinanderfolgend gezeigt wurden, wie es bevorzugt wird, ist dies darüber hinaus nicht absolut erforderlich, solange das Vorgehen mit den Schaltvorgängen der Pixel zusammenpasst. Zum Beispiel kann es eine kleine Verzögerung zwischen den Durchläufen geben, um zu ermöglichen, dass die zuletzt adressierten Pixel vollständig schalten. In einem solchen Fall ist es wünschenswert, BV und das Schalten von VFE synchron mit dem Beginn des zweiten Durchlaufs anzulegen.
Es ist klar, dass die Notwendigkeit von zwei Durchläufen und die Anwendung der vollen verfügbaren Spannung V im Vergleich mit dem einzelnen Durchlauf und geringerer Spannung V/2 (und deshalb langsamerem Schalten) beim Vorgehen mit einem Durchlauf einander entgegenwirkende Faktoren sind. Es ist auch offensichtlich, dass es möglich ist, die Reihenfolge der Durchläufe in 14 mit sich dar aus ergebenden Modifikationen der Dunkeltastungsprozesse usw. umzukehren.
Zur weiteren Erklärung zeigt 15 vereinfachte Spannungssignalformen, die in einem ähnlichen Vorgehen mit zwei Durchläufen für erste und zweite Periodendauern für das Abrastern des Bildes oder die Durchläufe P1 und P2 verwendet werden können, die erforderlich sind, um die ganze Matrix zu schreiben. In P1 werden ausgewählten Pixel adressiert, um sie optisch einzuschalten, in P2 werden Pixel adressiert, um sie optisch auszuschalten. Für Periodendauern außerhalb von P1 und P2 sind haben alle Spannungen einen Gleichanteil von Null, optional mit einer Wechselspannung mit geringem Pegel zur Stabilisierung der geschalteten Zustände mit Wechselspannung.
Das Diagramm (i) zeigt die Spannung VFE an der Frontelektrode, die nur für die Dauer von P1 auf V Volt erhöht wird.
Das Diagramm (ii) ist ein allgemeines Diagramm der Spannung Vpad, die an jeder Spiegelanschlussfläche der Pixel erhalten werden kann. Während einer ersten Periodendauer A während P1 kann jede Anschlussfläche von Null Volt auf V Volt umgeschaltet werden. Eine erste globale Dunkeltastung BV wird angewendet, um alle Spiegelanschlussflächen zwischen P1 und P2 auf V Volt zu treiben. Während einer Zeitdauer B während P2 kann jede Anschlussfläche von V Volt auf Null Volt umgeschaltet werden. Eine zweite globale Dunkeltastung B0 wird angewendet, um am Ende des zweiten Durchlaufs alle Anschlussflächen auf Null Volt zu treiben. Die Dunkeltastungen BV und B0 werden synchron mit dem Umschalten der zweiten Elektrode angewendet.
Das Diagramm (iii) zeigt die Spannung an einer Anschlussfläche für ein ausgewähltes Pixel, das während des Abrasterns der Zeilen während P1 eingeschaltet werden soll, folglich wird ein positiver Potenzialdifferenzpuls über das zugeordnete Flüssigkristallelement bereitgestellt, wie im Diagramm (iv) gezeigt ist. Nach P1 bewirkt die erste globale Dunkeltastung BV in Verbindung mit dem Schalten von VFE, dass die Potenzialdifferenz über alle Flüssigkristallelemente auf Null verringert wird, unabhängig davon, ob sie geschaltet wurden oder nicht, wobei beide Seiten der Flüssigkristallzelle nun auf V Volt liegen.
Das Diagramm (v) zeigt die Spannung an eine Anschlussfläche für ein ausgewähltes Pixel, das während dem Abrastern der Zeilen in P2 ausgeschaltet werden soll, folglich wird eine negative Potenzialdifferenz über das zugeordnete Flüssigkristallelement bereitgestellt, wie im Diagramm (vi) gezeigt ist. Nach P2 bewirkt die zweite globale Dunkeltastung B0 in Verbindung mit dem Schalten von VFE, dass die Potenzialdifferenz über alle Flüssigkristallelemente auf Null verringert wird, unabhängig davon, ob sie geschaltet wurden oder nicht, wobei beide Seiten der Flüssigkristallzelle nun auf Null Volt liegen.
Das Diagramm (vii) zeigt den Spanunngspuls an einer Anschlussfläche irgendeines Pixels, das (als eine Option) sowohl während P1 als auch P2 nicht adressiert wird, und der nur dem Effekt der Dunkeltastungen BV und B0 zuzuschreiben ist. BV und B0 sind im wesentlichen synchron mit dem Schalten von VFE, sodass diese Pixel Potenzialdifferenz gleich Null während der zwei Durchläufe erfahren. In allen Fällen muss die zeitliche Abstimmung von BV und B0 in Bezug auf VFE derart sein, dass kein ungewolltes Schalten von Pixeln auftritt.
Obwohl die P1 und P1 als unmittelbar aufeinanderfolgend gezeigt wurden, wie es bevorzugt wird, ist dies darüber hinaus nicht absolut erforderlich, solange das Vorgehen mit den Schaltvorgängen der Pixel zusammenpasst. Zum Beispiel kann es eine kleine Verzögerung zwischen den Durchläufen geben, um zu ermöglichen, dass die zuletzt adressierten Pixel vollständig schalten. In einem solchen Fall ist es wünschenswert, BV und das Schalten von VFE synchron mit dem Beginn des zweiten Durchlaufs anzulegen.
Es ist klar, dass die Notwendigkeit von zwei Durchläufen und die Anwendung der vollen verfügbaren Spannung V im Vergleich mit dem einzelnen Durchlauf und geringerer Spannung V/2 (und deshalb langsamerem Schalten) beim Vorgehen mit einem Durchlauf einander entgegenwirkende Faktoren sind. Es ist auch offensichtlich, dass es möglich ist, die Reihenfolge der Durchläufe in 15 mit sich daraus ergebenden Modifikationen der Dunkeltastungsprozesse usw. umzukehren, die in 16 gezeigt sind, die denselben schematischen Typ der Darstellung mit entsprechenden Bezügen zeigt.
Binäre Bildgebung
Ein binäres Bild kann von einem leeren Bild oder einen bestehenden Bild ausgehend mit einem Verfahren mit einem Durchlauf geschrieben werden, wie oben beschrieben wurde.
Das Schreiben eines neuen Bildes mit Beginn bei einem leeren Bild und das nachfolgende Umkehren der Spannungen, die an jedes entsprechende Pixel angelegt sind, um Gleichspannungsabgleich zu erreichen, führt jedoch nicht zu einer Umwandlung des optischen Bildes in ein leeres Bild, sondern zu einem umgekehrten optischen Bild. Zusätzlich ist das zeitlich gemittelte optische Bild Null, wenn die positiven und umgekehrten Bilder für gleiche Zeiten aufrechterhalten werden, sodass es gut sein kann, dass es notwendig ist, die Beleuchtung (oder den Betrachtungsschritt) zu unterbrechen, um ein positives Bild zu sehen.
Darüber hinaus bietet das bloße Ermöglichen, dass die adressierten Pixel relaxieren, oder das Treiben aller Pixel auf einen Zustand (relativ schnell), zum Beispiel, indem das globale Signal für das Setzen NSAR zusammen mit der Spaltensteuerung und den Spannungen der Frontelektrode angelegt wird, um alle Pixel kurzzuschließen (Null Volt) oder sie zu treiben (auf plus oder minus V), jedoch keinen Gleichspannungsabgleich, obwohl sich ein optisch gleichförmiges Bild ergibt.
Es gibt ähnliche Schwierigkeiten, wenn man mit einem bestehenden Bild beginnt.
Ein Vorgehen mit zwei Durchläufen, z. B. von dem Typ, der in 14 dargestellt ist, kann auf mehrere Arten betrieben werden.
In einem ersten Vorgehen mit zwei Durchläufen nach dem ersten Aspekt der Erfindung kann ein stehendes Bild durch ein neues Bild ersetzt werden, indem einfach alle entsprechenden Pixel während des ersten Durchlaufs eingeschaltet werden, und indem der komplementäre Satz von Pixeln während des zweiten Durchlaufs ausgeschaltet wird (wie in 14), das heißt, alle „1" en in dem neuen Bild werden zuerst adressiert, unabhängig davon, ob das Pixel schon „1" ist, und nachfolgend werden alle „0" en in den neuen Bild adressiert, unabhängig davon, ob das Pixel schon „0" ist. Kein Pixel bleibt unadressiert.
Dieses Vorgehen leidet an demselben Nachteil wie das Vorgehen mit einem Durchlauf, dass alle Pixel für jedes Bild adressiert werden, ohne Rücksicht auf ihren bestehenden Zustand, und Gleichspannungsabgleich nicht direkt bewirkt wird. Es ist jedoch rechnerisch einfach und schnell.
In einem zweiten Vorgehen mit zwei Durchläufen werden alle Flüssigkristallelemente nur ein- oder ausgeschaltet, wenn darin ein Zustandswechsel erforderlich ist, ansonsten bleibt es unadressiert und folgt Diagramm (vii). Jedes Pixel ist deshalb nur abwechselnden Einschalt- und Ausschaltpulsen mit wohldefinierten und gleichen Längen unterworfen, was folglich automatisch einen langfristigen Gleichspannungsabgleich leistet. Dieser Typ von Vorgehen ist in der internationalen Patentanmeldung Nr. WO92/04710 veröffentlicht, die oben erwähnt wurde.
Damit dieses Vorgehen über einen ausgedehnten Zeitraum erfolgreich arbeitet, ist es erforderlich, dass die Pixel zwischen aufeinanderfolgendem unter Spannung Setzen nicht relaxieren dürfen, z. B. durch Anlegen von Stabilisierung mit Wechselspannung zwischen dem Abrastern, wie oben erwähnt wurde.
Dieses Vorgehen erfordert auch die Bestimmung von Abweichungen zwischen dem bestehenden Bild und dem erforderlichen Bild, damit die Pixel, die in jedem der beiden Durchläufe angesteuert werden sollen, bestimmt werden können. Folglich wird der Vorteil von automatischem langfristigem Gleichspannungsabgleich teilweise von der erhöhten rechnerischen Schwierigkeit in Bezug auf das erste Vorgehen mit zwei Durchläufen aufgewogen.
Ein drittes und bevorzugtes Vorgehen, das eine Modifikation des Vorgehens mit zwei Durchläufen in 14 darstellt, und das in 17 dargestellt ist, ermöglicht, dass eine Serie von binären Bildern aufeinanderfolgend mit Gleichspannungsabgleich und schnellem oder angesteuertem Löschen geschrieben werden. Die Diagramme (iii) und (iv) in 17 stellen Spannungen von Spiegelanschlussflächen und Potenzialdifferenzen von Pixeln für ein ausgewähltes Pixel dar. Dieses Vorgehen entspricht der Erfindung mit abwechselnden leeren Bildern.
Während einer ersten SCHREIBEN-Periode t0 bis t1 wird ein erstes Bild in eine leere Matrix aus Elementen geschrieben, indem der Schreibprozess derart gesteuert wird, dass nur die Elemente, die eingeschaltet werden müssen, angesteuert werden (während der Periode A in Diagramm (ii)), alle anderen Elemente erhalten Null Volt. Während dies mit Durchlauf P1 des Vorgehens mit zwei Durchläufen in 14 gleich ist, folgt auf den SCHREIBEN-Schritt vorzugsweise unmittelbar zum Zeitpunkt t1 eine erste globale Dunkeltastung B0 auf Null Volt, und VFE bleibt auf Null Volt, wie in Diagramm (i) in 16 gezeigt ist. Für eine BILD-Periode t1 bis t2 bleibt das erforderliche binäre Bild unverändert.
Nachfolgendes Löschen, um die Matrix dunkelzutasten, wird dann während der LÖSCHEN-Periode t2 bis t3 durchgeführt, indem das negative Bild nur auf die geschriebenen Pixel geschrieben wird. Dies wird durchgeführt, indem ein zweites globales Dunkeltasten BV auf V Volt zum Zeitpunkt t2 synchron mit dem Schalten von VFE angewendet wird, und dann während einer Periode B nur die Elemente adressiert werden, die zuvor eingeschaltet wurden, wobei die anderen Elemente wiederum Null Volt erhalten. Zum Zeitpunkt t3 wird eine dritte globale Dunkeltastung B0 auf Null Volt synchron mit dem Schalten von VFE auf Null Volt angewendet. Der Löschschritt ist deshalb im Allgemeinen ähnlich zu dem zweiten Durchlauf in 14.
Folglich empfangen die angesteuerten Elemente abwechselnd entgegengesetzte Spannungen, um den Gleichspannungsabgleich zu leisten, und die anderen nicht ausgewählten Elemente empfangen keine Spannung, und bleiben auf diese Weise abgeglichen.
Nach dem Zeitpunkt t3 ist es möglich, mit dem Schreiben eines anderen binären Bildes zu beginnen, und dies kann wie dargestellt im wesentlichen zum Zeitpunkt t3 beginnen.
Folglich ähnelt dieses dritte Vorgehen mit zwei Durchläufen dem zweiten Vorgehen mit zwei Durchläufen oben darin, dass die volle Spannung V während der zwei Durchläufe von Schreiben und Löschen in verschiedene Richtungen angelegt werden kann, weicht aber davon darin ab, dass es dieselbe Gruppe von ausgewählten Pixeln ist, die jedesmal adressiert wird, statt verschiedene nichtkomplementäre Gruppen, was auf diese Weise die Anforderungen an die Berechnung verringert. Es unterscheidet sich von dem Verfahren mit einem Durchlauf, in dem allem Elemente während des Abrasterns des Bildes notwendigerweise in eine oder die andere Richtung getrieben werden.
Ein Vorteil dieses dritten Vorgehens ist, wie insbesondere dargestellt ist, dass das Bild im zeitlichen Mittelwert unabhängig von den Längen der Schreib-, Lösch- und „Betrachtungs" prozesse ungleich Null ist, da es zwischen Bild und Dunkeltasten statt zwischen Bild und invertierem Bild wechselt, und dies ermöglicht, dass die optische Beleuchtung kontinuierlich ist.
Während auf die Schreibstufe eine Zeitspanne folgen kann, während der das Bild „betrachtet" oder genutzt wird, ist eine weitere Überlegung, dass es nicht erforderlich ist, das leere Bild aufrechtzuerhalten, das man nach dem Löschen für irgendeine Zeitdauer erhält. Wie in 17 besonders dargestellt ist, kann, nachdem alle Pixel auf ihren anfänglichen Zustand zurückgeschaltet sind, sofort eine weitere Schreibstufe beginnen. Da das Verhältnis der BILD-Periode zu den SCHREIBEN- und LÖSCHEN-Perioden groß sein kann, ist das Bild für einen großen Anteil der Gesamtzeit verfügbar, und sein Kontrastverhältnis ist entsprechend verbessert.
Obwohl das Vorgehen oben und andere Vorgehen bei der Bildgebung hier mit dem Einsatz von globalen Dunkeltastungen dargestellt wurden, soll angemerkt sein, dass irgendwelche oder alle der Dunkeltastungen durch einen weiteres Abrastern des Bildes ersetzt werden können, bei dem alle Spalten auf der Dunkeltastspannung gehalten werden. Die Bereitstellung von Schaltkreisen, die einen globalen Adressierungsschritt ermöglichen, bildet den Gegenstand unserer ebenfalls eingereichten Anmeldung PCT/GB99/04274, Zeichen: P20961WO.
Während manche der binären Vorgehensweisen oben den Gleichspannungsabgleich automatisch bereitstellen, ist eine weitere Option für Vorgehensweisen, die dies nicht tun, zu ermöglichen, dass sich ein Gleichspannungsungleichgewicht ansammelt, zum Beispiel während des Schreibens von Bildern, und ihnen dann zu erlauben, zu relaxieren, das Ungleichgewicht zu berechnen (zum Beispiel in einer begleitenden Computersimulation), und dann lokal Gleichspannungen mit einer Größe und Dauer an die Pixel derart anzulegen, dass sie für eine durchschnittliche Gleichspannung gleich Null sorgen.
Graustufungen
Zeitliche digitale Modulation, um einen Graustufungseffekt zu erreichen, ist bekannt, wobei mehrere Bitflächen verwendet werden, die eine Abfolge von binären Bildern darstellen. Die effektive Dauer der binären Bilder (Länge und/oder Anzahl von Wiederholungen) ist derart, dass deren zeitliche Integration das Bild mit Graustufung ergibt.
Obwohl die Wiederholung von identischen binären Bildern an einer solchen Abfolge beteiligt sein kann, wird die Erzeugung von effektiven Graustufungen am besten durch die Verwendung von gewichteten Bitflächen bewirkt, wenn dies möglich ist. Bei einem solchen Vorgehen wird das Bild mit Graustufung in mehrere binäre Bilder (Bitflächen) von unterschiedlicher Dauer zerlegt, sodass deren zeitliche Integration zum Beispiel von einem Betrachter das Bild mit Graustufung ergibt. Die Zerlegung des Bildes mit Graustufung und die entsprechenden Dauern der Bitflächen sind typischerweise auf binärer Basis, obwohl auch andere Gewichtungen verwendet werden können.
Die verschiedenen Bitflächen für ein Bild mit Graustufung können als sequenzielle binäre Zeichenkette in einem Rechner gespeichert werden, und werden zu einem Zeitpunkt in irgendeiner gewünschten Reihenfolge ausgelesen, wonach sie verworfen werden können, außer wenn die Bilder wiederholt werden müssen. Es ist rechnerisch am einfachsten, die Bitflächen in der Reihenfolge auszulesen, in der sie gespeichert wurden, da dann die einzige Adresse, die gespeichert werden muss, die Startadresse der ersten gespeicherten Bitfläche ist, wobei dann alle Bitflächen eine zu einem Zeitpunkt ausgelesen werden, indem einfach eine vordefinierten Anzahl von Datenbits weitergeschaltet wird, die für alle Bitflächen eine Reihenfolge haben.
Es kann möglich sein, Bitflächen sofort zu ersetzen, die von Bitflächen für ein nachfolgendes Bild gelesen wurden, insbesondere, wenn die Bitflächen in Echtzeit erzeugt werden. Unter anderen Umständen kann dies jedoch schwierig sein, und der Satz von Bitflächen für ein erfolgreiches Bild ist dann normalerweise woanders gespeichert. In bestimmten Fällen ist es möglich, Speicher für nur zwei Bitflächen bereitzustellen, von denen eine geschrieben wird, während die andere gelesen wird, und umgekehrt.
Es auch möglich, die Lese- und/oder Schreiprozesse derart zu steuern, dass sie die Bildstandards wie gewünscht umwandeln, z. B. von aufeinanderfolgenden Zeilen in Zwischenzeilen.
Wenn jede Bitfläche aus dem Speicher gelesen wird oder danach, wird sie dann geschrieben, zum Beispiel mit dem Vorgehen mit einzelnem Durchlauf, das oben beschrieben wurde, und über eine Zeitdauer betrachtet, die ihrer Gewichtung entspricht, sodass das Auge das beabsichtigte Bild mit Graustufung erzeugt. Das Vorgehen mit einzelnem Durchlauf wird insofern bevorzugt, als dass es bloß das vorangehenden Bitbild überschreibt, ohne dass ein zweiter Durchlauf erforderlich ist, wobei die zugehörige Frontelektrode Schalt- und Dunkeltastungspulse anlegt. Das Vermeiden von verlorener Zeit zwischen aufeinanderfolgenden gültigen Bildern ermöglicht kontinuierliche Beleuchtung und leichtere Bereitstellung von Bitbildern mit einer genau gewichteten Dauer.
Bei einem solchen Vorgehen ist jedes Pixel einer Reihe von Spannungspulsen unterworfen, die dem Punkt in der Graustufung entsprechen, den es darstellt (entsprechend der Zahl, die das Niveau der Graustufung darstellt, und gewöhnlich, aber nicht notwendigerweise in dieser Reihenfolge). Es gibt wegen der eingesetzten Gewichtung mehr Punkte in der Graustufung, als Spannungen angelegt werden können, was vorteilhaft ist, da es die Zeit verringert, die tatsächlich mit dem Ansteuern der Matrix verbracht wird. Jede angelegte Spannung kann dieselbe oder entgegengesetzte Polarität im Vergleich zu der vorangehenden Spannung haben, und dieselbe Anzahl von Spannungspulsen gleich der Anzahl von Bitflächen (wobei die Polarität nicht beachtet wird) wird an jedes Pixel angelegt, um das Bild zu erzeugen.
Zum Beispiel gibt es in einer Graustufung mit 64 Stufen mit binärer Gewichtung 6 Bitflächen mit relativen Dauern von 2ⁿt, wobei n von 0 bis 5 reicht, und jedes Pixel kann durch eine entsprechende 6-stellige Binärzahl dargestellt werden.
Vorgehen mit doppeltem Durchlauf können jedoch alternativ für die Verwendung in Vorgehen mit mehreren oder gewichteten Bitflächen eingerichtet sein.
Um Gleichspannungsabgleich zu erreichen, ist es möglich, jede binäre Bitfläche durch irgend eines der binären Bildgebungsverfahren zu erzeugen, die in dem vorangehenden Abschnitt beschrieben wurden, das selbst einen Gleichspannungsabgleich erzeugt – zum Beispiel, indem es mit einem leeren Bild beginnt, schreibt, betrachten lässt und das binäre Bild löscht, indem es nur selektiv ausgewählte Pixel unter Spannung setzt (+V) und Dunkeltasten (–V) ansteuert.
In den meisten oder allen dieser Vorgehen ist die tatsächliche Dauer des binären Bildes jedoch nicht direkt zu der zugehörigen Zeit proportional, z. B. wegen der eingreifenden Dunkeltastungsschritte usw., was zu einem Grad der Verzerrung des binären Wesens der Zeitdauer der Bitflächen und folglich der wahrgenommenen Graustufenwerte führt. Während dies, wenn gewünscht, kompensiert werden kann, stellt es doch eine zusätzliche Verkomplizierung dar.
Es gibt andere Vorgehensweisen, beispielsweise den Gegenstand unserer ebenfalls eingereichten Anmeldung PCT/GB99/04260, Zeichen: P20963WO, in der sich dem Gleichspannungsabgleich angenähert wird oder er auf andere Weise erreicht wird, als das Einsetzen von bzgl. Gleichspannung abgeglichenen binären Bildern per se.
Obwohl viel der obigen Beschreibung eine Flüssigkristallzelle mit einer adressierbaren Matrix betrifft, sollte es klar sein, dass die Matrix nach der Erfindung in allen Zellkonstruktionen verwendet werden kann, ohne Rücksicht darauf, ob die Zelle als Lichtmodulator oder Anzeige funktionieren soll oder nicht, und ohne Rücksicht darauf, ob die Inhalte der Zelle eine Flüssigkristallphase haben sollen oder nicht.
Obwohl hier der Begriff „Graustufung" verwendet wird, sollte darüber hinaus klargestellt werden, dass der Begriff in Bezug auf jede Farbe, einschließlich weiß verwendet wird. Obwohl die Verfahren, Matrizen, Rückwände, Schaltkreise usw. nach der Erfindung in Bezug auf eine einzelne Farbe (monochrome Bilder) einschließlich weiß beschrieben sind, kann man sich vorstellen, dass variable Farbbilder oder Anzeigen usw. auf per se bekannte Weise erzeugt werden, wie zum Beispiel räumliches Unterteilen einer einzelnen Matrix in verschiedene Farbpixel, Überlagern von Anzeigen von verschiedenenfarbigen monochromen Matrizen oder zeitliches multiplexieren, z. B. sequenzielle Projektion von roten, grünen und blauen Bildern.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Matrix (4) aus optischen Flüssigkristallelementen in einer Abfolge von Zyklen, um deren Zustände in jeweilige Zustände zu ändern, die einer Abfolge von eingegebenen Datensätzen entsprechen, wobei jeder Zyklus einen ersten Schritt, in dem nur ausgewählte Elemente aus einer optisch leeren oder einheitlichen Matrix geschrieben werden, wie es durch einen entsprechenden Datensatz festgelegt ist, und einen zweiten Schritt umfasst, in dem die ausgewählten Elemente selektiv gelöscht werden, um vor einem weiteren Zyklus wieder ein leere Matrix herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Matrix aus optischen Elementen (4), auf die das Verfahren angewendet wird, eine entsprechende Matrix (3) aus adressierbaren aktiven Elementen und eine Elektrode (6) umfasst, die von der entsprechenden Matrix (3) einen Abstand hat, wobei jedes optische Element zwischen der Elektrode im Abstand und einem entsprechenden aktiven Element definiert ist, und in dem während des ersten Schrittes das aktive Element eines ersten Satzes und die Elektrode im Abstand (6) betrieben werden, um eine erste Potenzialdifferenz über die ausgewählten optischen Elemente des ersten Satzes anzulegen, und die aktiven Elemente des zweiten Satzes und die Elektrode im Abstand während des zweiten Schrittes betrieben werden, um eine zweite Potenzialdifferenz über die ausgewählten optischen Elemente des zweiten Satzes anzulegen, wobei die erste und die zweite Potenzialdifferenz entgegengesetzte Vorzeichen haben.
Verfahren nach Anspruch 2, in dem die erste und zweite Potenzialdifferenz gleiche Amplitude haben.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, in dem zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt die Spannung auf der Elektrode im Abstand (6) und die Spannung, die an jedes Element der Matrix angelegt ist, gleichzeitig um den gleichen Betrag erhöht oder verringert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Matrix aus optischen Elementen, auf die das Verfahren angewendet wird, eine entsprechende Matrix (3) aus adressierbaren aktiven Elementen und eine Elektrode (6) umfasst, die von der entsprechenden Matrix einen Abstand hat, wobei jedes optische Element zwischen der Elektrode im Abstand und einem entsprechenden aktiven Element definiert ist, und in dem zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt die Spannung auf der Elektrode im Abstand und die Spannung, die an jedes Element der Matrix angelegt ist, gleichzeitig um den selben Betrag erhöht oder verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, in dem die Spannungsverschiebung an der Elektrode im Abstand nur für im wesentlichen die Dauer des zweiten Schrittes angewendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt ein Schritt der gleichzeitigen Adressierung aller optischer Elemente der Matrix (4) ist, um darüber Potenzialdifferenz gleich Null anzulegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in dem zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt ein Schritt der gleichzeitigen Adressierung aller optischer Elemente der Matrix (4) ist, um darüber eine endliche Gleichspannungspotenzialdifferenz anzulegen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, in dem die optischen Elemente kapazitiv sind und nachfolgend auf die gleichzeitige Adressierung aller optischer Elemente im Leerlauf belassen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in dem zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt ein Schritt der gleichzeitigen Adressierung aller optischer Elemente der Matrix (4) ist, um eine endliche Wechselspannungspotenzialdifferenz darüber anzulegen.
Verfahren zur Erzeugung eines mehrfach gestuften Bildes, wobei eine Methode mit mehreren oder gewichteten Bitflächen verwendet wird, bei der jede Bitfläche durch ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche geschrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 11, in dem das Verfahren zum Schreiben jeder Bitfläche Gleichspannungsabgleich liefert.