RU2013794C1

RU2013794C1 - Liquid crystal indicating element

Info

Publication number: RU2013794C1
Authority: RU
Inventors: Г.А. Береснев; Н.В. Новоселецкий; В.Г. Чигринов; Шадт Мартин; В.М. Козенков; Шмитт Клауз
Original assignee: Московское научно-производственное объединение "НИОПИК"
Priority date: 1991-07-26
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 1994-05-30

Abstract

FIELD: electronics. SUBSTANCE: liquid-crystal layer of indicator is placed between substrates with electrodes and orienting layers on facing surfaces. Element made of photoanisotropic material is put on second substrate between orienting layer and electrode or between electrode and substrate or on reverse side of substrate. Surface of element is built in the form of zones with different optical anisotropy. Identical element can be placed in similar way on first substrate. EFFECT: facilitated manufacture, improved operational characteristics. 3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к устройству отображения информации, в частности к жидкокристаллической ячейке, и может быть использовано в средствах индикаторной техники различного назначения. The invention relates to a device for displaying information, in particular to a liquid crystal cell, and can be used in means of indicator technology for various purposes.

Известно, что жидкокристаллические ячейки в зависимости от конкретной цели дополняются оптически анизотропными слоями или элементами. It is known that liquid crystal cells, depending on a specific purpose, are supplemented with optically anisotropic layers or elements.

Так, например, обычно в жидкокристаллических индикаторах на основе сильно закрученного нематика исходно наблюдаемая желтая или синяя окраска компенсируется с помощью дополнительного слоя с двойным лучепреломлением и тем самым достигается черно-белый контраст. So, for example, usually in liquid crystal indicators based on a strongly twisted nematic, the initially observed yellow or blue color is compensated by means of an additional layer with birefringence, thereby achieving a black and white contrast.

Кроме того, оптически анизотропный дополнительный слой (элемент) в жидкокристаллической ячейке может использоваться как λ/4 или λ/2 пластины для поворота направления поляризации линейнополяризованного света или создания эллиптически поляризованного света из линейнополяризованного и наоборот. In addition, the optically anisotropic additional layer (element) in the liquid crystal cell can be used as λ / 4 or λ / 2 plates to rotate the direction of polarization of linearly polarized light or to create an elliptically polarized light from linearly polarized and vice versa.

Этот дополнительный слой может быть выполнен из оптически анизотропного материала, изготовленного путем механического вытягивания и наклеенного на пластины, граничащие с жидким кристаллом. При этом возникает ряд затруднений: отслаивание полимерной пленки, образование пузырьков и пыли, невозможность создания таких оптических свойств, которые изменялись бы по поверхности слоя в соответствии с избираемой моделью. This additional layer can be made of optically anisotropic material made by mechanical stretching and glued to plates adjacent to the liquid crystal. In this case, a number of difficulties arise: peeling of the polymer film, the formation of bubbles and dust, the impossibility of creating such optical properties that would vary along the surface of the layer in accordance with the chosen model.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей жидкокристаллических индикаторов. The purpose of the invention is the expansion of the functionality of liquid crystal indicators.

Цель достигается устройством отображения информации на основе жидкокристаллической ячейки, состоящей из жидкого кристалла, расположенного между двумя электродами, пристенными ориентирующими слоями и оптически анизотропного полимерного дополнительного элемента, выполненного из фотоанизотропного материала, который может быть разделен по своей поверхности на большое число отдаленных зон (областей) с различной оптической анизотропией. The goal is achieved by a device for displaying information on the basis of a liquid crystal cell consisting of a liquid crystal located between two electrodes, wall oriented layers and an optically anisotropic polymer additional element made of photo-anisotropic material, which can be divided along its surface into a large number of remote zones (regions) with various optical anisotropy.

При этом от области к области меняются оптическая разность хода и (или) местоположение эллипсоида двойного лучепреломления так, что компенсируется или изменяется присущая ячейке окраска, образуются различно окрашенные точки изображения в случае цветного индикатора. In this case, the optical path difference and / or the location of the birefringence ellipsoid change from region to region so that the color inherent in the cell is compensated or changes, and differently colored image points are formed in the case of a color indicator.

Кроме того, оптические свойства областей могут создавать различные направления поляризации и тем самым позволяют одновременное отображение типа видеоинформации как правого, так и левого стереоскопического изображения. In addition, the optical properties of the regions can create different directions of polarization and thereby allow the simultaneous display of the type of video information of both the right and left stereoscopic images.

Помимо этого, дополнительный элемент может являться частью экрана в плоскости изображения проекционной системы. In addition, an additional element may be part of the screen in the image plane of the projection system.

Ниже с помощью предлагаемых рисунков описаны примеры осуществления изобретения. Below using the proposed drawings are described examples of the invention.

На фиг. 1 показано схематическое изображение ЖК-индикатора на основе супертвист-нематика с компенсированием цвета; на фиг. 2 - схематическое изображение ЖК-ячейки цветного индикатора; на фиг. 3 - цветной растр ячейки согласно фиг. 2; на фиг. 4 - схематическое изображение жидкокристаллической ячейки для стереоскопического отображения; на фиг. 5 - растр поляризации ячейки согласно фиг. 4; на фиг. 6 - схематическое изображение устройства обратной проекции для воспроизведения стереоскопического изображения. In FIG. 1 is a schematic representation of a super-nematic LCD with color compensation; in FIG. 2 is a schematic illustration of an LCD cell of a color indicator; in FIG. 3 is a color raster of the cell according to FIG. 2; in FIG. 4 is a schematic representation of a liquid crystal cell for stereoscopic display; in FIG. 5 is a polarization raster of the cell according to FIG. 4; in FIG. 6 is a schematic representation of a rear projection device for reproducing a stereoscopic image.

Жидкокристаллическая ячейка состоит из двух стеклянных пластин 1, 5, на которые нанесены слои управляющих электродов 2, 6. Электродный слой 2, находящийся на пластине 1, показанной на рисунке слева, покрыт ориентирующим слоем 3, который приграничные молекулы жидкого кристалла, находящегося между пластинами, ориентирует в предпочтительном направлении. The liquid crystal cell consists of two glass plates 1, 5, on which the layers of control electrodes 2, 6 are applied. The electrode layer 2, located on the plate 1, shown in the figure on the left, is covered with an orientation layer 3, which is the boundary molecules of the liquid crystal located between the plates, orientates in the preferred direction.

Также правая пластина 5 имеет на поверхности, прилегающей к жидкому кристаллу, ориентирующий слой 7, между которым и электродом 6 находится дополнительный слой 9 ориентированного фотоанизотропного материала. Also, the right plate 5 has on the surface adjacent to the liquid crystal an orientation layer 7, between which and the electrode 6 there is an additional layer 9 of oriented photoanisotropic material.

Особым преимуществом данного фотоанизотропного слоя является то, что на его анизотропные свойства можно влиять в широких пределах, меняя условия проведения фотополимеризации, экспонирования активизирующим излучением и химический состав слоя. A particular advantage of this photoanisotropic layer is that its anisotropic properties can be influenced over a wide range by changing the conditions for photopolymerization, exposure to activating radiation and the chemical composition of the layer.

Слой 9 может быть также не единообразным по оптическим свойствам, а разделен на большое число отдельных зон (областей) по своей поверхности, меняющих оптические свойства от области к области. Layer 9 may also not be uniform in optical properties, but divided into a large number of separate zones (regions) along its surface, changing optical properties from region to region.

Таким образом, можно, например, области с компенсирующей окраской (т. е. черно-белые) чередовать с некомпенсированными областями, т. е. цветными. Thus, it is possible, for example, to alternate areas with compensating coloration (i.e., black and white) with uncompensated areas, i.e., colored.

С помощью фотоанизотропных материалов можно получить прозрачные слои с определенной разностью или запаздыванием оптического хода. Using photoanisotropic materials, it is possible to obtain transparent layers with a certain difference or delay in the optical path.

Вместо одного слоя 9 на одной из двух пластин можно предусмотреть наличие таких замедляющих слоев на обеих пластинах. Это важно при работе жидкокристаллической ячейки в отраженном свете. Instead of one layer 9 on one of the two plates, it is possible to provide for the presence of such retardation layers on both plates. This is important when operating a liquid crystal cell in reflected light.

Замедляющий слой 9 может быть помещен между стеклянной пластиной 1 и электродным слоем 2, а также наносится на внешние верхние поверхности подложек 1, 5. The retardation layer 9 can be placed between the glass plate 1 and the electrode layer 2, and can also be applied to the outer upper surfaces of the substrates 1, 5.

Ориентирующие слои 3, 7 могут приобретать свои ориентирующие свойства в результате напыления или натирания. Orientation layers 3, 7 can acquire their orientation properties as a result of spraying or rubbing.

Показанная на фиг. 1 ячейка жидкокристаллического индикатора укомплектована входным линейным поляризатором 4 и скрещенным 8. Shown in FIG. 1 cell of the liquid crystal indicator is equipped with an input linear polarizer 4 and crossed 8.

Идущий от источника 11 света неполяризованный свет 12 поляризуется поляризатором 4 в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, и при прохождении через жидкий кристалл преобразуется в эллиптически поляризованный свет (фиг. 2). The non-polarized light 12 coming from the light source 11 is polarized by the polarizer 4 in the direction perpendicular to the plane of the drawing, and when passing through the liquid crystal it is converted into elliptically polarized light (Fig. 2).

Если бы не было слоя 9, то этот свет из-за различного хода в жидком кристалле 10, в зависимости от длины волны, стал бы окрашенным. If there were no layer 9, then this light, due to the different strokes in the liquid crystal 10, depending on the wavelength, would become colored.

Слой 9 осуществляет компенсацию цвета, так что между включенным и выключенным состояниями получается черно-белый контраст. Выходной поляризатор 8 пропускает к наблюдателю часть световых колебаний 13, параллельных направлению своей плоскости поляризации. Во включенном состоянии, при работе СТН ячейки в режиме позитивного контраста, жидкий кристалл 10 для проходящего света становится оптически одноосным, так что продолжает иметь место линейная поляризация и выходной поляризатор 8 блокирует свет, идущий к наблюдателю. Наблюдатель 14 не видит света. Layer 9 compensates for the color, so that a black and white contrast is obtained between the on and off states. The output polarizer 8 passes to the observer a part of the light vibrations 13 parallel to the direction of its polarization plane. In the on state, when the STN cell is in positive contrast mode, the liquid crystal 10 for the transmitted light becomes optically uniaxial, so that linear polarization continues to occur and the output polarizer 8 blocks the light reaching the observer. Observer 14 does not see the light.

Вместо того, чтобы выбрать значения оптической разности хода и местоположение эллипсоида двойного лучепреломления таким образом, чтобы в СТН-индикаторе компенсировался цвет, можно эти значения в сочетании с соответствующими установками поляризаторов подобрать так, чтобы получить на ячейке цвета, показанные на фиг. 1. Instead of choosing the values of the optical path difference and the location of the birefringent ellipsoid in such a way that the color is compensated in the STN indicator, these values, in combination with the corresponding settings of the polarizers, can be selected so as to obtain the colors shown in FIG. 1.

Известно, что свойства (волноводные, двойного лучепреломления), лежащие в основе полевых эффектов оптической бистабильности, а также эффектов ступенчатого клина в сочетании с соответствующими положениями поляризаторов, могут быть использованы для формирования окраски. На такую интерференционную окраску можно влиять посредством дополнительных замедляющих слоев 9. It is known that the properties (waveguide, birefringence) underlying the field effects of optical bistability, as well as the effects of a step wedge in combination with the corresponding positions of the polarizers, can be used to form the color. Such interference coloring can be influenced by additional inhibitory layers 9.

В результате уже упоминавшегося структурирования замедляющего слоя относительно его оптических свойств, то есть наличия в разных областях поверхности различной разности хода и положения эллипсоида двойного лучепреломления, можно получить совокупность рядом расположенных и различно окрашенных областей. As a result of the already mentioned structuring of the retardation layer with respect to its optical properties, that is, the presence of different path differences and the positions of the birefringence ellipsoid in different regions of the surface, it is possible to obtain a combination of adjacent and differently colored regions.

При наличии анизотропного полимерного слоя, поверхность которого разделена на большое число отдельных областей с разностью хода и положения эллипсоида двойного лучепреломления, можно получить совокупность рядом расположенных различно окрашенных областей. In the presence of an anisotropic polymer layer, the surface of which is divided into a large number of separate regions with a difference in the course and position of the birefringent ellipsoid, it is possible to obtain a set of adjacent differently colored regions.

Пример цветного индикатора с различно окрашенными точками изображения, которые расположены равномерно по растру, схематически представлены на фиг. 2 и 3. Сечение ячейки индикатора, показанное на фиг. 2, по конструкции в значительной степени совпадает с ячейкой, показанной на фиг. 1. В отличие от ячейки, показанной на фиг. 1, замедляющий слой 9 и электродный слой 6 поменялись местами. An example of a color indicator with differently colored image points that are evenly distributed along the raster is shown schematically in FIG. 2 and 3. The cross section of the indicator cell shown in FIG. 2 coincides in design with the cell shown in FIG. 1. In contrast to the cell shown in FIG. 1, the retardation layer 9 and the electrode layer 6 are interchanged.

Кроме того, оба слоя разделены по растру на отдельные области (сегменты). На фиг. 3 для электродного слоя 6 и замедляющего слоя 9 показаны точки изображения (Pinel), выстроенные в строки и столбцы. In addition, both layers are divided along the raster into separate areas (segments). In FIG. 3, for the electrode layer 6 and the retardation layer 9, image points (Pinel) are shown arranged in rows and columns.

В случае цветного отображения замедляющий слой, например, устроен следующим образом. В левой верхней области точка изображения 15 - красная, соседняя с ней, справа, точка изображения 16 - зеленая, следующая за ней точка изображения 17 - желтая, за ней - опять красная. В следующей строке цвета сдвинуты на один элемент по отношению к предыдущей строке. In the case of color display, the slowdown layer, for example, is structured as follows. In the upper left area, the image point 15 is red, adjacent to it, on the right, the image point 16 is green, the next image point 17 is yellow, followed by red again. In the next line, the colors are shifted by one element relative to the previous line.

Различные величины разности оптического хода оптических замедляющих слоев 9 можно получить в результате их облучения поляризованным активирующим светом различной длительности или различной интенсивности. Направление оптической оси в каждой точке замедляющего слоя 9 определяется направлением вектора поляризации активирующего излучения. Different values of the difference in the optical path of the optical slowdown layers 9 can be obtained as a result of their irradiation with polarized activating light of different durations or different intensities. The direction of the optical axis at each point of the retardation layer 9 is determined by the direction of the polarization vector of the activating radiation.

В дополнение к этому путем последовательного локального по поверхности облучения поляризованным активирующим излучением можно изготовить пристенные ориентирующие слои 3, 7 в виде растра различных направлений ориентации. Тем самым можно также менять относительные положения директоров нематических гладких кристаллов по отношению к поляризации для каждой точки изображения. In addition, by sequentially localizing the surface of irradiation with polarized activating radiation, wall orientation layers 3, 7 can be made in the form of a raster of various orientations. Thus, one can also change the relative positions of the directors of nematic smooth crystals with respect to the polarization for each image point.

В результате воздействия специфических оптических свойств замедляющего слоя на точки изображения достигаются очень разнообразные цветовые эффекты. As a result of the influence of the specific optical properties of the retardation layer on the image points, very diverse color effects are achieved.

Оптически замедляющие слои могут быть расположены иначе, чем показано на фиг. 2, между электродными и пристенными ориентирующими слоями или на внешней стороне стеклянной пластины. Optically retardation layers may be arranged differently than shown in FIG. 2, between the electrode and wall orientation layers or on the outside of the glass plate.

Меняя расположение замедляющего слоя - между электродными и пристенными ориентирующими слоями или на внешней стороне стеклянной пластины - можно осуществить жидкокристаллический индикатор для воспроизведения стереоскопического изображения (фиг. 4). By changing the location of the retardation layer — between the electrode and wall oriented layers or on the outside of the glass plate — it is possible to realize a liquid crystal indicator for reproducing a stereoscopic image (Fig. 4).

Обычная поворачивающаяся ячейка состоит из закрученного на 90^о нематического жидкого кристалла 21, помещенного между стеклянными пластинами 22 и 23 с электродами 24, 25 и ориентирующими слоями 26, 27.Conventional rotatable cell consists of a twisted 90 ^of nematic liquid crystal 21 sandwiched between glass plates 22 and 23 with the electrodes 24, 25 and orienting layers 26, 27.

Кроме того, предусмотрены два скрещенных поляризатора 28, 29 и замедляющий слой 30 на стороне выхода света. In addition, two crossed polarizers 28, 29 and a retardation layer 30 on the light exit side are provided.

Свет 34, идущий от источника 33, линейно поляризуется входным поляризатором 28. После прохождения через стеклянную поворачивающуюся ячейку колебания света, перпендикулярные плоскости чертежа, проходят через поляризатор 29. The light 34 coming from the source 33 is linearly polarized by the input polarizer 28. After passing through a glass rotating cell, light vibrations perpendicular to the plane of the drawing pass through the polarizer 29.

При прохождении через следующий за ним замедляющий слой 30 направление поляризации испытывает поворот на 90^о в тех областях 31, где замедляющий слой действует как пластина λ /2. В других областях 32 поворота направления поляризации не происходит.When passing through the following it retarding layer 30 undergoes a rotation of polarization direction by 90 ^to 31 in those areas where the layer acts as a retarding plate λ / 2. In other areas 32, a rotation of the direction of polarization does not occur.

Данная схема позволяет с помощью соответствующего управления электродных областей наблюдать стереоизображение через поляроидные очки 35 зрителем 39. This scheme allows using the appropriate control of the electrode regions to observe a stereo image through polaroid glasses 35 by the viewer 39.

На этом же принципе основано устройство обратной проекции, показанное на фиг. 6. The back projection device shown in FIG. 6.

От источника света 36, на пути света 37 находится линейный поляризатор 38, так что свет поляризуется параллельно плоскости изображения. From the light source 36, a linear polarizer 38 is located in the path of the light 37, so that the light is polarized parallel to the image plane.

Жидкокристаллическая ячейка 40 состоит из входной стеклянной пластины 41 с электродным слоем 42 и ориентирующим слоем 43, закрученного на 90^о жидкого кристалла 44 и выходной стеклянной пластины 47 с ориентирующим слоем 45 и электродом 46.The liquid crystal cell 40 consists of an input glass plate 41 with an electrode layer 42 and an orienting layer 43 swirled 90 ° ^{of the} liquid crystal 44 and an output glass plate 47 with an orienting layer 45 and an electrode 46.

В выключенном состоянии свет выходит из ячейки с поворотом вектора на поляризации на 90^о. Свет попадает на фокусирующую оптику 48 и зеркало 49, которое отклоняет свет на проекционный экран 50. Экран состоит из линейного поляризатора 51 и замедляющего слоя 52, которые нанесены на рассеивающую прозрачную подложку 53.The light goes off from the cell by turning on the polarization vector at ^90. The light enters the focusing optics 48 and the mirror 49, which deflects the light onto the projection screen 50. The screen consists of a linear polarizer 51 and a retardation layer 52, which are deposited on a scattering transparent substrate 53.

Проекционный экран находится в плоскости изображения проекционной системы. The projection screen is in the image plane of the projection system.

Таким образом, предлагаемое жидкокристаллическое устройство обеспечивает упрощение конструкции индикаторного элемента за счет нового вида устройства, способного компенсировать или заменять присущую ячейке окраску, а также расширяет функциональные возможности путем образования цветного видео- и стереоскопического изображения и реализует новую концепцию жидкокристаллического индикатора в проекционном исполнении. Thus, the proposed liquid crystal device simplifies the design of the indicator element due to a new type of device capable of compensating or replacing the color inherent in the cell, and also extends the functionality by forming a color video and stereoscopic image and implements a new concept of the liquid crystal indicator in the projection version.

Claims

1. A liquid crystal indicator element containing a liquid crystal layer placed between the first and second substrates with electrodes and orienting layers on surfaces facing one another, and an optically anisotropic polymer additional element, characterized in that the additional element is made of photoanisotropic material and placed on the second the substrate between the orienting layer and the electrode, or between the electrode and the substrate, or on the reverse side of the substrate.

2. The element according to claim 1, characterized in that the additional element is made on its surface in the form of zones with different optical anisotropy.

3. The element according to claim 1, characterized in that an additional optically anisotropic element located between the orienting layer and the electrode, or between the electrode and the substrate, or on the reverse side of the substrate, is also placed on the first substrate.