KR19990036039A - Optical Modulation Using Asymmetric Liquid Crystals - Google Patents

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알든 크로스랜드 윌리엄
버나드 데이비 안소니
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캐쉬 스티븐 리
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Abstract

디스플레이용 광 변조 장치는 순환 편광 소스 (1, 5, 23)와, 콜레스테릭 액정 물질로 이루어지며 광이 이 액정 물질을 향하는 변조기 (34)를 포함한다. 변조기는 26에서와 같이 동일한 방향의 순환 편광 단색 광을 차단하는 콜레스테릭 액정의 특성에 의해 좌우된다. 전압이 인가될 때, 액정의 콜레스테릭 특성이 파괴되고 광이 투과된다 (20). 투과된 광은 예를 들어 디스플레이용 형광체를 구동시키는데 사용될 수 있다. 콜레스테릭은 광을 직접적으로 차단할 수 있으므로, 편광기 또는 기타 필터를 필요로 하지 않는다.The optical modulator for display comprises a cyclic polarization source 1, 5, 23 and a modulator 34 composed of cholesteric liquid crystal material and whose light is directed to the liquid crystal material. The modulator is governed by the properties of the cholesteric liquid crystal that blocks cyclic polarized monochromatic light in the same direction as in 26. When a voltage is applied, the cholesteric properties of the liquid crystal are destroyed and light is transmitted 20. The transmitted light can be used, for example, to drive phosphors for displays. Cholesterics can block light directly, eliminating the need for polarizers or other filters.

Description

비대칭 액정을 이용한 광 변조Optical Modulation Using Asymmetric Liquid Crystals

본 발명은 비대칭 액정, 즉, 헬리컬 구조를 갖는 액정을 이용한다. 이러한 비대칭 액정은 비대칭 네마틱 상(phase) (콜레스테릭 또는 N*, 여기서 *는 비대칭성(chirality)을 나타냄) 및 비대칭 스멕틱(smectic) C 상 (SmC*)과 같은 비대칭 스멕틱 상에 의해 예시된다. 이들 상은 헬리컬 구조를 갖는다. 헬릭스는 약간 나사산같은 모양이며, 헬릭스를 따라 반복 거리와 연계된 피치 P를 갖는다. 반복 거리는 2π 라디안(radians)의 헬릭스를 중심으로 한 회전에 해당한다.The present invention uses an asymmetric liquid crystal, that is, a liquid crystal having a helical structure. Such asymmetric liquid crystals have asymmetric nematic phases (cholesteric or N *, where * represents achirality) and asymmetric smectic phases such as asymmetric smectic C phase (SmC *). Illustrated by These phases have a helical structure. The helix is slightly thread-shaped and has a pitch P associated with the repetition distance along the helix. The repetition distance corresponds to a rotation around the helix of 2π radians.

컬러 디스플레이 장치는 380에서 780 나노미터(nanometres)의 대역폭 이상으로 광을 발광시킬수 있다. 이러한 전자 방사의 폭 범위는 랩탑(lap-top) 컴퓨터 및 텔레비젼과 같은 제품에 사용하는 얇은 액정 디스플레이 장치 설계자들에게 많은 차질 및 불편을 야기한다. 또한, 적색, 청색 및 녹색의 픽셀 소자를 발생하기 위해 사용되는 백광 필터링 시스템과 연계된 또다른 문제점이 야기되므로, 에너지 입력의 약 4%만 시청될 수 있다는 것은 놀라운 일이 아니다.The color display device can emit light above a bandwidth of 380 to 780 nanometers (nanometres). This wide range of electromagnetic radiation causes many disruptions and inconveniences for designers of thin liquid crystal display devices for use in products such as laptop-top computers and televisions. In addition, it is not surprising that only about 4% of the energy input can be viewed since another problem is associated with the white light filtering system used to generate red, blue and green pixel elements.

이러한 에너지 손실을 처리하기 위해, 콜레스테릭 액정을 이용하여 시청자를 향해 보내지는 광을 증가시키기 위한 시도가 이루어졌다. 유망한 접근으로 "콜레스테릭 미러" (cholesteric mirror)를 사용하는 것이며, 편광과 함께 사용될 때 콜레스테릭 액정의 반사성 및 투과성으로 콜레스테릭 미러의 사용이 이루어진다.To address this energy loss, attempts have been made to increase the light directed towards the viewer using cholesteric liquid crystals. A promising approach is to use a "cholesteric mirror", and when used with polarized light, the use of cholesteric mirrors is reflected by the reflective and transmissive properties of cholesteric liquid crystals.

도 1에 도시된 기본적인 콜레스테릭 미러 접근에 있어서, 소스 (1)로부터의 비편광은 콜레스테릭 액정의 층 (23)을 향한다. 그러한 액정은 (물질의 반사율을 감안하여) 피치와 다소 다른 파장의 광을 통과시키며, 또한, 피치에 근접하며 반대방향으로 순환하여 편광되는 파장의 광을 통과시킨다. 동일한 방향으로 순환하여 편광된 정확한 파장의 광은 반사된다. 그리하여, 층 (23)이 필터로서 작용한다.In the basic cholesteric mirror approach shown in FIG. 1, the non-polarization from source 1 is directed towards layer 23 of cholesteric liquid crystal. Such liquid crystals pass light of a wavelength slightly different from the pitch (in consideration of the reflectance of the material), and also pass light of a wavelength that is polarized close to the pitch and circulated in the opposite direction. Light of the correct wavelength circulated in the same direction and polarized is reflected. Thus, layer 23 acts as a filter.

도시된 바와 같이, 좌우 편광 (비편광)을 포함하는 단일색 광은 비대칭 필터 기판 (23)에 닿게 되고, 비대칭 액정과 같은 왼쪽 방향의 동일한 비대칭 광은 거의 전적으로 반사되고 반대 방향의 단일색 광은 거의 전적으로 필터를 가로지른다. 광의 세기를 강화하기 위해, 반사기 11 (확산 또는 정반사)가 광발광기의 앞 또는 뒤에 있는 필터 뒤쪽으로 위치될 수 있다. 그러면, 순환 편광은 한쪽을 효과적으로 역전시키는 반사기에서 π의 상변화를 직면한 후 필터에 의해 투과된다. 순환하는 편광은 전체적인 투과 광을 강화시키는데 사용될 수 있다. 이러한 배열에 대해서, B. Kerllenevich & A. Coche, conference paper for SID France, August, 31 - September 3, 1993 참조.As shown, monochromatic light including left and right polarized light (non-polarized light) hits the asymmetric filter substrate 23, and the same asymmetric light in the left direction, such as the asymmetric liquid crystal, is almost entirely reflected and the monochromatic light in the opposite direction is almost entirely. Cross the filter. To enhance the intensity of the light, reflector 11 (diffuse or specular reflection) can be positioned behind the filter in front of or behind the light emitter. The cyclic polarization is then transmitted by the filter after facing a phase change of π in the reflector that effectively reverses one side. Circulating polarization can be used to enhance the overall transmitted light. For this arrangement, see B. Kerllenevich & A. Coche, conference paper for SID France, August, 31-September 3, 1993.

필터 (23)를 가로지르는 오른쪽 방향 순환 편광은 변조될 수 있다. 상기 컨퍼런스 논문에서는 트위스트 네마틱 (TN) 액정층 (12)이 이용되고, 이 액정층에는 각표면상의 전극에 의해 전압이 인가될 수 있다. 이 액정층은 전압이 인가되지 않을 때 반파 플레이트에 상응하는 물질 및 두께로 이루어지고, TN 액정층 대신에, 당면한 목적을 위해 동일한 동작이 수행되는 수퍼트위스트(supertwisted) 네마틱 (STN) 액정층이 사용될 수 있다. 반파 플레이트의 효과는, 도시된 바와 같이, 입사 광의 한쪽 방향을 역전시키는 것이다. 반면에, 전압이 액정에 인가되면, 오른쪽 방향의 편광은 변화되지 않고 통과한다. 그리하여, 오른쪽 방향의 콜레스테릭 미러를 TN 액정층의 타측에 배열함으로써, 전압의 인가 여부에 따라 광이 차단되거나 통과된다.Rightward cyclic polarization across the filter 23 can be modulated. In the conference paper, a twisted nematic (TN) liquid crystal layer 12 is used, and a voltage can be applied to the liquid crystal layer by electrodes on each surface. This liquid crystal layer is made of a material and thickness corresponding to a half wave plate when no voltage is applied, and instead of a TN liquid crystal layer, a supertwisted nematic (STN) liquid crystal layer is formed in which the same operation is performed for the present purpose. Can be used. The effect of the half wave plate is to reverse one direction of the incident light, as shown. On the other hand, when a voltage is applied to the liquid crystal, the polarization in the right direction passes through unchanged. Thus, by arranging the cholesteric mirror in the right direction on the other side of the TN liquid crystal layer, light is blocked or passed depending on whether voltage is applied.

이러한 접근은 단색의 디스플레이 장치를 충분히 잘 동작하게 하며, 100% 효율적이지 않은 편광기를 필요로 하지 않는다는 큰 이점을 갖기는 하지만, 몇몇 콜레스테릭 층이 파장의 범위를 커버하는데 필요하게 되므로 컬러 디스플레이 장치에는 적합하지 않다. 이점에서, 콜레스테릭 액정이 디스플레이 장치에 많이 사용되지 않았다.This approach has the great advantage of making monochrome display devices work well enough and does not require polarizers that are not 100% efficient, but color display devices are needed because some cholesteric layers are needed to cover a range of wavelengths. Not suitable for In this regard, cholesteric liquid crystals are not used much in display devices.

넓은 의미에서, 본 발명은 순환하는 편광을 차단하거나 투과시키기 위해 콜레스테릭 액정을 사용하며, 컬러 디스플레이 장치를 제작하는데 사용될 수 있다. 한 관점에서, 본 발명은 순환하는 편광을 제공하는 수단과, 광이 보내지는 콜레스테릭 액정 물질로 이루어지고 순환 편광을 통과시키거나 차단시키기 위해 선택적으로 구동될 수 있는 변조기를 구비하는 시스템에 의해 달성된다.In a broad sense, the present invention uses cholesteric liquid crystals to block or transmit circulating polarization and can be used to fabricate color display devices. In one aspect, the invention is achieved by a system comprising means for providing circulating polarization and a modulator made of a cholesteric liquid crystal material to which light is sent and selectively driven to pass or block cyclic polarization. Is achieved.

본질적으로, 그러한 배열은 몇가지 목적에 적합한 단색의 출력을 제공하지만, 광이 실질적으로 단색일 때, 특히 자외선에서, 특히 효과적이며, 한 번 변조된 광은 가시광을 방사시킬 수 있는 물질을 구동하는데 사용하거나, 물질의 반사 특성 또는 흡수성을 변화시키거나 출력을 발생시키는데 사용된다. 이러한 타입의 물질은 방출력이 있는 경우에 형광체에 의해 예시된다. 이러한 종류의 디스플레이 장치에 관한 WO95/27920에서 참조할 수 있다. 본 발명이 디스플레이 장치에 합체되면, 단색의 디스플레이 화면 및 풀컬러(full-colour) 디스플레이 화면이 형성될 수 있다.In essence, such an arrangement provides a monochromatic output suitable for several purposes, but is particularly effective when the light is substantially monochromatic, especially in ultraviolet light, and once modulated light is used to drive materials capable of emitting visible light. Or to change the reflective properties or absorbency of a material or to generate an output. This type of material is exemplified by the phosphor when there is emission power. Reference may be made to WO95 / 27920 concerning display devices of this kind. When the present invention is incorporated in a display device, a monochrome display screen and a full-color display screen can be formed.

입력 순환 편광은 상기한 바와 같이 종래의 "콜레스테릭 미러" 배열에 의해 생성될 수 있다.Input cyclic polarization can be generated by a conventional "cholesteric mirror" arrangement as described above.

본 발명은 편광기를 필요로 하지 않고 가장 간편한 경우로 필터와 변조기만을 필요로 하며 실제로 분석기와 유사한 것이면 무엇이든 함께 적용하는 저손실 액정 변조기를 제공할 수 있다. 이는 종래의 TN 타입 액정 디스플레이 장치로 수행된 바와 같이 또다른 광소자에 의한 연속적인 차단을 위해 편광 상태를 단순히 변경시키기 보다는 액정이 광을 직접적으로 차단할 수 있기 때문이다. 액정은 예를 들어 단색 또는 근접 단색의 광과 함께 사용되는 소정 피치의 비대칭 액정이 될 수 있고, 이는 자외선으로도 언급되는 서브-가시 (sub-visible), 단파장 전자 방사에 의해 예시된다.The present invention can provide a low loss liquid crystal modulator that does not require a polarizer but, in the simplest case, requires only a filter and a modulator, and actually applies anything similar to an analyzer. This is because the liquid crystal can directly block light rather than simply change the polarization state for continuous blocking by another optical element, as is done with a conventional TN type liquid crystal display device. The liquid crystal can be, for example, a predetermined pitch of asymmetric liquid crystals used with monochromatic or near monochromatic light, which is exemplified by sub-visible, short wavelength electron radiation, also referred to as ultraviolet.

바람직하게, 프로세스는 통상적인 평균 반사율 1.6과 함께 피치 230nm의 비대칭 액정을 필요로 하는 365nm의 파장을 갖는 자외선을 사용한다. 그러한 피치는 비대칭 네마틱 액정 (N*) 및 비대칭 스멕틱 (SmC*) 물질들에 대해 알려져 있다.Preferably, the process uses ultraviolet light with a wavelength of 365 nm which requires an asymmetric liquid crystal with a pitch of 230 nm with a typical average reflectance of 1.6. Such pitch is known for asymmetric nematic liquid crystal (N *) and asymmetric smectic (SmC *) materials.

프로세스를 최대한 이용하기 위해, 입력 비편광의 콜리메이션(collimation)이 바람직하다. 이 콜리메이션은 렌즈렛(lenslet) 시스템을 이용하여 수행될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 편광기를 필요로 하지 않으므로, 형광체 타입 출력 소자를 사용하는 실시예에서는 이들 소자가 액정 셀 내부에 배치될 수 있다. 이는 콜리메이션의 필요성을 크게 감소시키고 배열을 상당히 간단하게 만든다.In order to make the most of the process, collimation of the input unpolarized light is desirable. This collimation can be performed using a lenslet system. However, since the embodiment of the present invention does not require a polarizer, in the embodiment using the phosphor type output element, these elements may be disposed inside the liquid crystal cell. This greatly reduces the need for collimation and makes the arrangement considerably simpler.

형광체 형태의 2차 에미터로는 365nm의 파장을 갖는 자외선이 이상적이며, 단일 피치 비대칭 액정이 사용될 수 있다. 선택된 파장 365nm에 있어서, ㎛에서 통상적인 피치 값은 다음과 같다.As the secondary emitter in the form of a phosphor, ultraviolet rays having a wavelength of 365 nm are ideal, and a single pitch asymmetric liquid crystal can be used. For the selected wavelength 365nm, typical pitch values at μm are as follows.

...... 식(1) Expression (1)

그러나, 또다른 가능성에 의해 더 작은 파장의 광, 예를 들어 청색 광을 사용하게 되어 더 긴 파장, 예를 들어 적색 또는 녹색으로 발광하는 형광체를 구동시키게 된다. 이는 UV의 사용을 방지하게 된다.However, another possibility is to use smaller wavelengths of light, for example blue light, to drive phosphors that emit longer wavelengths, for example red or green. This will prevent the use of UV.

본 발명의 다른 적용에 있어서, 콜레스테릭 미러 시스템은 종래의 편광기를 사용하지 않고, 예를 들어 1/4파 플레이트를 추가하여 편광을 선형으로 발생시키는데 사용될 수 있다. 이 선형 편광은 종래의 트위스트 네마틱 디스플레이 장치 및 수퍼트위스트 네마틱 디스플레이 장치에 사용된 바와 같이 선형 편광을 필요로 하는 액정 전자 광학효과에 의해 광학적으로 스위치될 수 있으며, 이중 굴절 (bi-refringence) 예를 들어 간단한 (트위스트되지 않은) 네마틱 플래너 호메오트로픽(homeotropic) 스위칭을 기본으로 한 다수의 강유전 효과, 일렉트로클리닉(electroclinic) 효과 및 기타 전자 광학 효과와 함께 적용가능하다. 예를 들어 트위스트 없는 네마틱 액정 및 강유전 액정과 함께, 편광 방향과 흡수 방향을 정렬 시켜 몇가지 다이크로익(dichroic) 효과가 최대한으로 이용될 수 있다.In another application of the invention, the cholesteric mirror system can be used to generate polarization linearly, for example by adding a quarter wave plate, without using a conventional polarizer. This linear polarization can be optically switched by liquid crystal electron optics that require linear polarization, as used in conventional twisted nematic display devices and supertwist nematic display devices, such as bi-refringence. For example, it is applicable with a number of ferroelectric effects, electroclinic effects and other electro-optic effects based on simple (untwisted) nematic planner homeotropic switching. For example, with a twist-free nematic liquid crystal and a ferroelectric liquid crystal, some dichroic effects can be utilized to the maximum by aligning the polarization direction and the absorption direction.

또다른 관점에서, 본 발명은 실질적으로 단일색의 자외선 소스와, 한방향으로 순환하는 광을 투과시키는 제 1 콜레스테릭 미러와, 투과된 광의 편광을 선택적으로 변화시키는 변조가능한 액정층과, 경우에 따라서 선택된 편광을 통과시키거나 차단시키는 제 2 콜레스테릭 미러와 같은 수단을 포함하는 광 변조 장치를 제공한다. 한 변형에서, 콜레스테릭 미러와 액정 변조기 사이에 1/4파 플레이트가 구비되어 변조기가 종래의 TN, STN 또는 기타 이중 굴절 액정이 될 수 있으며, 중간 광이 선형으로 편광된다.In another aspect, the present invention provides a substantially monochromatic ultraviolet source, a first cholesteric mirror that transmits light circulating in one direction, a modifiable liquid crystal layer that selectively changes the polarization of the transmitted light, and optionally Provided is an optical modulation device comprising means such as a second cholesteric mirror that passes or blocks selected polarizations. In one variation, a quarter wave plate is provided between the cholesteric mirror and the liquid crystal modulator so that the modulator can be a conventional TN, STN or other double refractive liquid crystal, with the intermediate light being linearly polarized.

다시 말하여, 투과된 광은 특히 컬러 디스플레이 장치에서 형광체와 같은 제 2 에미터를 구동시키기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 광 소스는 자외선 전류가 통하고, 형광 방사하고 방출 디스플레이 장치를 제작하기 위해 사용될 수 있다. 이는 컬러 디스플레이와 관련하여 알려진 도 1의 배열이 갖는 문제점을 해소한다.In other words, the transmitted light can be used to drive a second emitter, such as a phosphor, in particular in a color display device. Thus, the light source of the present invention can be used to make ultraviolet current pass, fluoresce and produce an emission display device. This solves the problem with the known arrangement of FIG. 1 in relation to color displays.

본 발명은 편광의 생성 및 변조를 위한 비대칭 액정(Chiral Liquid Crystal)의 사용에 관한 것으로서 특히, 디스플레이 장치에 비대칭 액정의 사용에 관한 것이다. 컬러 액정 디스플레이 화면의 주요한 문제점중의 하나는 편광기 및 필터에서 광이 분실됨으로써 입력 에너지를 비효율적으로 사용한다는 점이다. 본 발명은 단색 디스플레이 장치에 적용을 함에도 불구하고 이러한 문제점을 해소한다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the use of asymmetric liquid crystals for the generation and modulation of polarized light, and more particularly to the use of asymmetric liquid crystals in display devices. One of the major problems with color liquid crystal display screens is the loss of light in polarizers and filters, resulting in inefficient use of input energy. The present invention solves this problem despite application to monochrome display devices.

도 1은 알려진 콜레스테릭 미러의 원리를 보여준다.1 shows the principle of known cholesteric mirrors.

도 2는 직렬의 두 개의 콜레스테릭 미러, 즉, 하나는 편광 필터 다른 하나는 변조기를 이용하는 본 발명의 제 1 실시예를 보여주는 구성도이다.Figure 2 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention using two cholesteric mirrors in series, one polarizing filter and the other modulator.

도 3은 종래의 편광기 또는 비대칭 편광기와 연계된 순환 및 선형 편광을 이용하는 본 발명의 제 2 실시예를 보여주는 구성도이다.3 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention using cyclic and linear polarization associated with a conventional polarizer or an asymmetric polarizer.

도 4는 디스플레이 부분으로서 더 넓은 면적에 대한 도 2의 배열을 보여주는 또다른 구성도이다.4 is another schematic diagram showing the arrangement of FIG. 2 over a larger area as the display portion.

도 2에서, 소스 (1)는 비편광, 비콜리메이트 전자 방사를 생성하며, 본 예에서는 실질적으로 단일색 또는 좁은 대역 자외선을 생성한다. 광은 디스플레이 적용에 있어서 비편광 및 콜리메이트 광 (9)과 같이 광이 나오는 렌즈렛 어레이의 구성요소가 될 수 있는 렌즈 (5)를 통과한다. 왼쪽 방향의 순환 편광은 기호 15로 나타내며, 오른쪽 방향의 순환 편광은 19로 나타낸다. 광은 오른쪽 방향의 비대칭 액정 물질을 포함하는 콜레스테릭 미러 (23)의 표면 (21)에 닿는다. 오른쪽 방향의 편광 (19)을 갖는 광은 6으로 표시된 바와 같이 표면 (21)으로부터 반사되는 한편, 왼쪽 방향의 편광 (15)을 갖는 광은 콜레스테릭 미러를 가로지른다. 그리하여, 콜레스테릭 미러는 일종의 필터로서 작용한다. 액정의 헬리컬 특성은 8로 표시된다.In FIG. 2, source 1 produces unpolarized, non-colimate electron radiation, which in this example produces substantially monochromatic or narrow band ultraviolet radiation. Light passes through a lens 5 which may be a component of the lenslet array from which light is emitted, such as unpolarized and collimated light 9 in display applications. Circularly polarized light in the left direction is represented by the symbol 15 and circularly polarized light in the right direction is represented by 19. The light strikes the surface 21 of the cholesteric mirror 23 comprising the asymmetric liquid crystal material in the right direction. Light with polarization 19 in the right direction is reflected from the surface 21 as indicated by 6, while light with polarization 15 in the left direction traverses the cholesteric mirror. Thus, the cholesteric mirror acts as a kind of filter. The helical characteristic of the liquid crystal is indicated by 8.

디스플레이 목적을 위해 배열은 본질적으로 순환 편광 필터 (23)와 비대칭 변조기 (34)로 구성된다. 변조기 헬릭스는 접촉하는 광과 동일한 방향이어야 한다. 순환 편광 필터는 이 단계에서 변조를 위한 요구조건이 없으면 스위치되지 않아도 된다. 광의 파장 (λ)은 다음 식을 만족시켜야 한다.For display purposes the arrangement consists essentially of the cyclic polarization filter 23 and the asymmetric modulator 34. The modulator helix must be in the same direction as the light it contacts. The cyclic polarization filter does not need to be switched at this stage unless there is a requirement for modulation. The wavelength λ of light must satisfy the following equation.

λ = n × P ................... 식 (2)λ = n × P ..... Equation (2)

여기서, n은 평균 반사율이고 P는 필터 및 변조기에서 비대칭 물질의 피치이다.Where n is the average reflectance and P is the pitch of the asymmetric material in the filter and modulator.

전압이 변조기에 인가되지 않으면, 해당하는 방향의 광은 거의 전적으로 반사되고 변조기를 가로지르는 광은 거의 없다. 전계가 변조기에 인가되면, 피치는 다음 식에 의해 주어진 문턱값 이상으로 되풀리게(unwound) 된다.If no voltage is applied to the modulator, the light in that direction is almost totally reflected and there is little light across the modulator. When an electric field is applied to the modulator, the pitch is unwound above the threshold given by the following equation.

........... 식 (3) ........... Formula (3)

여기서, K22는 트위스트 탄성 상수이고, △ε는 허용성 이방성이고, E0은 자유 공간 허용성이다. 그리고 나서, 광이 투과된다. 도 2의 상부는 전계가 인가되지 않으므로 광이 투과되지 않는 셀 영역을 보여준다.Where K 22 is a twist elastic constant, Δε is allowable anisotropy, and E 0 is free space allowance. Then, light is transmitted. 2 shows a cell area in which light is not transmitted since no electric field is applied.

화소 셀이 오프 상태이면, 헬리컬 구조는 34a에서와 같이 유지되고, 전계가 콜레스테릭 셀을 가로질러 인가되면 헬릭스는 되풀리고 액정은 34b에서와 같이 네마틱 상을 입력한다. 화소 34a에 있어서, 왼쪽 방향 편광은 26으로 지시된 바와 같이 반사되는 반면 네마틱 상태 화소 34b를 입력하는 광은 15로 표시된 왼쪽 방향 편광 함께 30에서와 같이 콜레스테릭 미러를 가로지른다.If the pixel cell is off, the helical structure remains as in 34a, and when an electric field is applied across the cholesteric cell, the helix is repeated and the liquid crystal enters the nematic phase as in 34b. For pixel 34a, the leftward polarization is reflected as indicated by 26 while the light entering the nematic state pixel 34b traverses the cholesteric mirror as in 30 with the leftward polarization indicated by 15.

순환 편광 필터 (23)는 변조기의 방향에 대해 적절한 방향의 헬릭스와 식 (2)를 만족하는 피치 길이를 가지고, 편리한 비대칭 물질 예를 들어 폴리머 물질로 형성될 수 있다.The cyclic polarization filter 23 has a helix in an appropriate direction with respect to the direction of the modulator and a pitch length satisfying Equation (2), and may be formed of a convenient asymmetric material, for example a polymeric material.

기본적으로, 이러한 시스템은 분석기가 불필요하다는 이점을 갖는 트위스트 네마틱 액정 및 선형 편광을 이용하는 표준 디스플레이 시스템의 순환 아날로그이다. 도시된 배열은 직접적으로 사용될 수 있는 예를 들어 디스플레이용으로 사용될 수 있는 단일색의 순환 편광 (30)을 방출한다. 그러나, 이 단일색의 광이 본질적으로 시청자에게 광을 교대로 방출하는 형광체와 같은 출력 소자 (도시되지 않음)를 구동시키는데 사용된다면, 또다른 이점이 얻어질 수 있다. 이 경우, 형광체는 효율적인 컬러 디스플레이 장치가 제작될 수 있다는 것을 의미하는 CRT 디스플레이 장치에서 사용되는 형광체와 유사한 RGB 형광체가 될 수 있다. 이러한 구성 및 이점은 예를 들어 WO 95/27920 (Crossland et al.)에 설명된다.Basically, such a system is a cyclic analog of a standard display system using twisted nematic liquid crystals and linear polarization with the advantage that an analyzer is not required. The arrangement shown emits a monochromatic circularly polarized light 30 that can be used directly, for example for display purposes. However, if this monochromatic light is used to drive an output element (not shown) which is essentially a phosphor that alternately emits light to the viewer, another advantage can be obtained. In this case, the phosphor may be an RGB phosphor similar to the phosphor used in the CRT display device, which means that an efficient color display device can be manufactured. Such configurations and advantages are described, for example, in WO 95/27920 (Crossland et al.).

도 3은 순환 편광이 선형 편광으로의 컨버젼을 보여주고 변조기가 선형 편광에 반응하는 실시예를 보여준다. 여기서, 도 1에서와 같이, 광 소스(1)는 3으로 도시된 렌즈 (5)를 입력하는 좁은 대역 비편광, 비콜리메이트 광을 생성하며, 렌즈 (5)는 렌즈렛 어레이의 단위 부분이다. 9로 표시된 콜리메이트, 비편광된 광이 생성된다. 왼쪽 방향의 순환 편광은 15로 표시되고 오른쪽 방향의 순환 편광은 10으로 표시된다. 따라서, 콜리메이트 광은 콜레스테릭 미러 (23)의 베이스 (21)에 닿는다. 이 미러는 오른쪽 방향의 비대칭성 (오른쪽 방향의 트위스트)을 갖는 콜레스테릭 액정을 포함한다. 콜리메이트, 비편광의 오른쪽 방향으로 편광된 성분이 콜레스테릭 미러 (23)의 베이스 (21)로부터 반사되고, 왼쪽 방향의 편광 성분은 27에서와 같이 15로 표시된 미러를 가로지른다. 따라서, 배열은 도 2의 배열에 상응한다.3 shows an embodiment where cyclic polarization shows conversion to linear polarization and the modulator responds to linear polarization. Here, as in FIG. 1, the light source 1 produces narrow band unpolarized, non-colimate light that inputs the lens 5 shown at 3, wherein the lens 5 is a unit part of the lenslet array. . A collimated, unpolarized light, labeled 9, is produced. Circularly polarized light in the left direction is represented by 15 and circularly polarized light in the right direction is represented by 10. Thus, the collimated light strikes the base 21 of the cholesteric mirror 23. This mirror comprises a cholesteric liquid crystal with asymmetry in the right direction (twist in the right direction). The component polarized in the right direction of the collimated, non-polarized light is reflected from the base 21 of the cholesteric mirror 23, and the polarized component in the left direction crosses the mirror indicated by 15 as in 27. Thus, the arrangement corresponds to the arrangement of FIG.

본 실시예에서, 콜리메이트, 왼쪽 방향의 편광 성분은 31로 표시된 1/4파장 기판을 가로지르고 선형 편광 35과 같이 나타나며, 편광은 39로 표시된다. 선평 편광 (35)은 종래의 (예를 들어, TN) 디자인으로 구성될 수 있는 기판 (43)을 변조시키는 반파 플레이트 (최적의 조건)를 입력하고 다수의 픽셀을 가로지른다. 다수의 픽셀 중 두 개가 43a와 43b로 표시된다. 도 3에서, 픽셀 (43a)은 스위치 오프되고 픽셀 (43b)은 스위치 온된다. 픽셀 (43a)을 가로지르는 편광은 변화되지 않고 그대로 유지되는 반면 픽셀 (43b)을 가로지르는 편광은 90도 회전한다. 그리하여, 선형 편광으로 변화한다. 원래의 편광은 39로 표시되고 변화된 편광은 47로 표시된다. 선형 편광 형태의 광은 각각 35 및 45로 표시된다.In this embodiment, the collimated, left polarization component crosses the quarter-wave substrate indicated by 31 and appears as linearly polarized light 35, with the polarization represented by 39. The linearly polarized light 35 enters a half-wave plate (optimum condition) that modulates the substrate 43, which may be constructed in a conventional (eg, TN) design and traverses multiple pixels. Two of the plurality of pixels are represented by 43a and 43b. In Fig. 3, pixel 43a is switched off and pixel 43b is switched on. The polarization across the pixel 43a remains unchanged while the polarization across the pixel 43b rotates 90 degrees. Thus, the linear polarization changes. The original polarization is represented by 39 and the changed polarization is represented by 47. Light in the form of linearly polarized light is represented by 35 and 45, respectively.

장치를 가로지르는 광은 일반적으로 44로 도시되고 44a 및 44b로 표시된 두가지 방식 중 하나로 처리될 수 있다.Light across the device may be treated in one of two ways, shown generally at 44 and labeled 44a and 44b.

프로세스 (44a)가 선택되면, 배향 35 및 45의 선형 편광은 53으로 표시되고 빠른 축으로 정확히 배향된 1/4파 플레이트를 통과하고 난 후 선형 편광의 양 형태는 순환 편광으로 변형된다. 변조되지 않은 선형 (35)은 15와 함께 왼쪽 방향의 순환 편광 (54)으로 변형되고, 선형 (45)은 19와 함께 오른쪽 방향의 순환 편광 (56)으로 변형된다. 두가지 형태의 순환 편광은 또다른 콜레스테릭 미러 (59)의 베이스 (65)에 닿는다. 콜레스테릭 미러는 왼쪽 방향의 비대칭성 (트위스트)의 액정을 포함한다. 왼쪽 방향의 순환 편광은 상기 미러의 베이스 (65)로부터 반사되고 오른쪽 방향의 순환 편광은 콜레스테릭 미러 (59)를 가로지른다. 나타난 광은 61에서와 같이 도시되고 오른쪽 방향의 순환 편광은 19로 표시된다. 물론, 미러 (59)는 영상이 네거티브일 경우 오른쪽 방향이 될 수 있다. 이러한 작용은 Kerllenevich & Coche 디자인 (도 1)에 관계된다.Once the process 44a is selected, the linear polarizations of orientations 35 and 45 are represented by 53 and after passing through a quarter wave plate exactly oriented with a fast axis, both forms of linear polarization are transformed into cyclic polarizations. The unmodulated linear 35 is transformed into a circularly polarized light 54 in the left direction with 15, and the linear 45 is transformed into a circularly polarized light 56 in the right direction with 19. Two types of cyclic polarization hit the base 65 of another cholesteric mirror 59. The cholesteric mirror comprises a liquid crystal of asymmetry (twist) in the left direction. Circularly polarized light in the left direction is reflected from the base 65 of the mirror and circularly polarized light in the right direction crosses the cholesteric mirror 59. The light shown is shown as in 61 and the cyclic polarization in the right direction is indicated at 19. Of course, the mirror 59 may be in the right direction when the image is negative. This action is related to the Kerllenevich & Coche design (Figure 1).

옵션 (44b)이 선택되면, 55로 도시된 종래의 선형 편광기는 39로 표시된 배향을 갖는 편광 (35)을 제거하는 한편, 47로 표시된 배향을 갖는 편광(45)은 61'에서와 같이 편광기 (55)를 가로지르며, 시청자 (70)에 의해 보여지는 것이 가능해진다. 이러한 옵션에서, 일부는 보다 간단한 구조를 갖지만 정상적인 TN 디스플레이 장치에 사용되는 제 1 편광기 대신에 콜레스테릭 미러를 갖는 이점의 일부를 유지한다. 도 4는 도 2의 라인을 따른 디스플레이 장치의 일부를 보여주며, 최선의 결과를 위해 광 (15)이 콜리메이트되어야 하지만 명확성을 위해 이는 도시되지 않는다. 변조기 (64)에서 투과 픽셀, 즉, 전압이 인가되는 영역은 단색 디스플레이 또는 추가의 프로세싱을 위해 순환 편광 (63)을 통과시킨다.When option 44b is selected, the conventional linear polarizer shown at 55 removes polarization 35 having an orientation indicated by 39, while polarization 45 having an orientation indicated at 47 is applied to a polarizer (as in 61 '). 55, it becomes possible to be seen by the viewer 70. In this option, some have a simpler structure but retain some of the advantages of having a cholesteric mirror instead of the first polarizer used in normal TN display devices. 4 shows a portion of the display device along the line of FIG. 2, for which light 15 should be collimated for best results, but for clarity this is not shown. The transmissive pixels, ie the areas where voltage is applied, in the modulator 64 pass cyclic polarization 63 for monochrome display or further processing.

상기한 바와 같이, 동작 디스플레이 장치에서 출력 광 (59), (61, (63)은 2차 발광 소자의 어레이에 닿는다. 2차 발광 소자는 도시되지 않았지만 국제 출원 번호 PCT/GB/95/770 (Crossland et al.), 즉, RGB 형광체 도트에 관한 출원에 도시된 라인을 따라 배열될 수 있다. 또한, 2차 발광 소자는 흡수성 및 반사특성이 UV 광의 작용에 의해 변화되는 소자가 될 수 있다. UV 광의 적절한 변조와 함께, 이들 2차 발광 소자는 바람직한 컬러 디스플레이 장치를 생산한다. 이는 높은 파장 선택 콜레스테릭 액정을 이용하여 컬러 디스플레이 장치를 생산하는 문제점을 해소한다. 그러나, 본 발명은 컬러 디스플레이에 한정되지 않으며 자외선의 사용에 한정되지도 않는다.As described above, in the operation display device, the output light 59, 61, 63 touches the array of the secondary light emitting elements. Although the secondary light emitting elements are not shown, the international application number PCT / GB / 95/770 ( Crossland et al., That is, along the lines shown in the application for RGB phosphor dots, a secondary light emitting device can also be a device whose absorption and reflection properties are changed by the action of UV light. Together with the proper modulation of UV light, these secondary light emitting devices produce a preferred color display device, which solves the problem of producing a color display device using a high wavelength selective cholesteric liquid crystal. It is not limited to, and is not limited to the use of ultraviolet rays.

명확히 말하여, 도시된 배열의 많은 변형이 가능하다. 콜리메이터는 렌즈 또는 렌스렛 어레이로 사용할 필요가 없으며, 디스플레이 이외에 기타 적용도 생각 할 수 있다.Clearly, many variations of the arrangement shown are possible. The collimator does not need to be used as a lens or lenslet array, but other applications besides the display are conceivable.

Claims (12)

순환 편광을 제공하는 수단과 변조기를 포함하는 광 변조 장치에 있어서,An optical modulation device comprising a modulator and means for providing cyclic polarization, the optical modulation device comprising: 콜레스테릭 액정 물질을 포함하는 변조기는 광이 액정 물질을 향해 보내지며, 순환 편광을 선택적으로 통과시키거나 차단하도록 구동가능한 것을 특징으로 하는 광 변조 장치.And a modulator comprising a cholesteric liquid crystal material is light directed towards the liquid crystal material and operable to selectively pass or block cyclic polarization. 제 1항에 있어서, 콜레스테릭 액정은 반사 및 클리어(clear) 상태 사이에서 스위치되도록 순응되는 것을 특징으로 하는 광변조 장치.The light modulator of claim 1, wherein the cholesteric liquid crystal is adapted to switch between reflective and clear states. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 순환 편광의 소스는 한방향의 순환 광을 통과시키고 다른 방향의 광을 반사시키는 콜레스테릭 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 변조 장치.3. An optical modulation device according to claim 1 or 2, wherein the source of cyclic polarization comprises a cholesteric filter for passing circulating light in one direction and reflecting light in the other direction. 제 3 항에 있어서, 상기 광 소스는 후면 미러를 포함하여 콜레스테릭 필터에 의해 반사된 순환 편광이 이 미러로부터 반사되어 pi-상 변화되고 스위치된 액정 변조기를 향해 뒤에서 투과되는 것을 특징으로 하는 광 변조 장치.4. The light source according to claim 3, wherein the light source comprises a rear mirror, wherein the cyclic polarization reflected by the cholesteric filter is reflected from the mirror and transmitted behind it towards the pi-phase changed and switched liquid crystal modulator. Modulation device. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 광은 적어도 부분적으로 콜리메이트되는 것을 특징으로 하는 광 변조 장치.The light modulating device according to claim 1, wherein the light is at least partially collimated. 선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 광은 자외선 또는 단파장 가시광선인 것을 특징으로 하는 광 변조 장치.The optical modulation device according to any one of the preceding claims, wherein the light is ultraviolet or short wavelength visible light. 좁은 대역 자외선 소스와, 한 방향의 광을 투과시키는 제 1 콜레스테릭 미러와, 투과된 광의 편광을 선택적으로 변화시키는 변조가능한 액정층과, 경우에 따라 변화된 편광을 통과시키거나 차단하는 선택수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 변조 장치.A narrow band ultraviolet source, a first cholesteric mirror that transmits light in one direction, a modifiable liquid crystal layer that selectively changes the polarization of the transmitted light, and, optionally, selection means for passing or blocking the changed polarization. Optical modulation device comprising a. 제 7 항에 있어서, 상기 선택 수단은 제 2 콜레스테릭 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 변조 장치.8. An optical modulation device according to claim 7, wherein said selection means comprises a second cholesteric mirror. 선형 편광으로의 컨버전을 위해 1/4파장 플레이트에 따른 순환 편광되는 좁은 대역 또는 단일 파장 전자 방사 소스와, 선형 편광을 변조할 수 있도록 스위치가능한 액정 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 변조 장치.An optical modulation device comprising a narrow band or single wavelength electron radiation source circularly polarized along a quarter wave plate for conversion to linear polarization, and a switchable liquid crystal cell to modulate linear polarization. 제 9항에 있어서, 순환 편광을 복원하기 위해 또다른 1/4파장 플레이트와 함께 비대칭 액정 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 변조 장치.10. An optical modulation device according to claim 9, comprising an asymmetric liquid crystal filter with another quarter-wave plate to restore cyclic polarization. 선행 청구항에 청구된 광 변조 장치를 포함하며, 변조기에 의해 투과된 광에 의해 충돌할 때 디스플레이 출력을 발생하는 2차 에미터 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.And a secondary emitter means for generating a display output when impinged by the light transmitted by the modulator. 실질적으로 단일색의 광 소스와, 한 방향으로 순환되는 광을 투과시키는 제 1 콜레스테릭 미러와, 투과된 광의 편광을 선택적으로 변화시키는 변조가능한 액정층과, 경우에 따라 변화된 편광을 통과시키거나 차단시키는 선택 수단을 포함하는 광 변조 장치와 변조기에 의해 투과된 광에 의해 충돌할 때 디스플레이 출력을 발생하는 2차 에미터 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.A substantially monochromatic light source, a first cholesteric mirror that transmits light circulating in one direction, a modifiable liquid crystal layer that selectively changes the polarization of the transmitted light, and optionally passes or blocks the changed polarization And a secondary emitter means for generating a display output when impinged by light transmitted by the modulator with an optical modulation device comprising selection means for causing the display device to change.
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