RU2264641C2

RU2264641C2 - Liquid-crystalline display element

Info

Publication number: RU2264641C2
Application number: RU2001118974/28A
Authority: RU
Inventors: В.А. Цветков (RU); В.А. Цветков; О.В. Цветков (RU); О.В. Цветков; И.В. Цветков (RU); И.В. Цветков
Original assignee: Цветков Валентин Алексеевич; Цветков Олег Валентинович; Цветков Илья Валентинович
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2005-11-20

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: element has liquid crystal layer, encased between two substrates with transparent electrodes, while at least one of electrodes is divided on stripes, widths of which are picked on basis of Fresnel lens forming law, and output mask with slits, combined with focuses of Fresnel lenses. Element additionally has input mask with slits, raster capacitor, second electrode is divided on stripes, widths of which are picked from same Fresnel lens forming law, focal distances of both Fresnel lenses are set equal, but for different wave lengths.

EFFECT: higher brightness of image.

4 dwg

Description

Изобретение относится к индикаторной технике, в частности к цветным жидкокристаллическим дисплеям, в которых селекция цветов в пределах каждого элемента (пикселя) производится светофильтрами с тремя первичным цветами (триадами), а модуляция каждого из цветов производится посредством жидкого кристалла (ЖК).The invention relates to indicator technology, in particular to color liquid crystal displays, in which the selection of colors within each element (pixel) is carried out by filters with three primary colors (triads), and the modulation of each of the colors is carried out by means of a liquid crystal (LCD).

Известен элемент ЖК дисплея, содержащий слой ЖК, заключенный между двумя подложками с прозрачными электродами, и триаду светофильтров, пропускающих свет одной из трех первичных длин волн: R (красный), G (зеленый), В (синий) /1/. Светофильтры триады выполнены в виде полосок фотополимера, способного при освещении УФ-излучением изменять величину двулучепреломления. В каждой из полосок триады наведена разная величина двулучепреломления, такая, что при соответствующем расположении поляроидов каждая из полосок пропускает свет одного из первичных цветов.A known element of an LCD display comprising an LCD layer enclosed between two substrates with transparent electrodes and a triad of light filters transmitting light from one of three primary wavelengths: R (red), G (green), B (blue) / 1 /. The filters of the triad are made in the form of strips of a photopolymer capable of changing the birefringence when illuminated with UV radiation. In each of the strips of the triad, a different birefringence is induced, such that, with an appropriate arrangement of polaroids, each of the strips transmits light of one of the primary colors.

Недостатками известного элемента являются высокая стоимость, обусловленная технологическими трудностями при изготовлении: на легкоплавкий фотополимер нужно наносить прозрачные электроды, ориентирующие и выравнивающие слои, невысокая долговечность, а также невысокая яркость изображений, обусловленная значительными потерями света при селекции. Селекция света нужной длины производится только с 1/3 площади всего элемента - субпикселя (и приходящегося на него светового потока), тогда как остальные 2/3 площади отведены для селекции двух других цветов и являются фактически световыми потерями.The disadvantages of the known element are the high cost due to technological difficulties in manufacturing: transparent electrodes, orienting and leveling layers, low durability, and low brightness of images due to significant light loss during selection need to be applied to the fusible photopolymer. The selection of light of the desired length is made only from 1/3 of the area of the whole element - the subpixel (and the luminous flux incident on it), while the remaining 2/3 of the area is reserved for the selection of two other colors and are actually light losses.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является элемент дисплея, содержащий слой жидкого кристалла, заключенный между двумя подложками с прозрачными электродами, причем, по крайней мере, один из электродов разделен на полоски, ширины которых выбраны по закону формирования линзы Френеля, и выходную маску со щелями, совмещенными с фокусами линз Френеля /2/.The closest in technical essence to the present invention is a display element containing a liquid crystal layer enclosed between two substrates with transparent electrodes, and at least one of the electrodes is divided into strips, the width of which is selected according to the law of the formation of the Fresnel lens, and the output mask with slits combined with the foci of the Fresnel lenses / 2 /.

Технология изготовления известного элемента проще, потому он дешевле в изготовлении, долговечность элемента увеличена, поскольку отсутствуют фотополимерные и выравнивающие слои. Однако основной недостаток - невысокая яркость изображений за счет разделения площади элемента на три субпикселя - остается.The manufacturing technology of the known element is simpler, because it is cheaper to manufacture, the durability of the element is increased, since there are no photopolymer and leveling layers. However, the main drawback - the low brightness of the images due to the division of the area of the element into three subpixels - remains.

Целью настоящего изобретения является повышение яркости изображений в дисплеях создаваемых на базе предлагаемого элемента.The aim of the present invention is to increase the brightness of images in displays created on the basis of the proposed element.

Поставленная цель достигается тем, что в известный элемент, содержащий слой жидкого кристалла, заключенный между двумя подложками с прозрачными электродами, причем, по крайней мере, один из электродов разделен на полоски, ширины которых выбраны по закону формирования линзы Френеля, выходную маску со щелями, совмещенными с фокусами линз Френеля, введена входная маска со щелями, растровый конденсор, второй из электродов разделен на полоски, ширины которых выбраны по закону формирования линзы Френеля, фокусные расстояния обеих линз Френеля заданы равными, но для разных длин волн.This goal is achieved by the fact that in a known element containing a liquid crystal layer enclosed between two substrates with transparent electrodes, at least one of the electrodes is divided into strips, the width of which is selected according to the law of the formation of the Fresnel lens, the output mask with slots, combined with the foci of the Fresnel lenses, an input mask with slots is introduced, a raster capacitor, the second of the electrodes is divided into strips, the widths of which are selected according to the law of the formation of the Fresnel lens, the focal lengths of both Fresnel lenses are set equal, but for different wavelengths.

Сущность настоящего изобретения поясняется на чертеже, где на:The essence of the present invention is illustrated in the drawing, where:

- фиг.1а приведена конструкция элемента,- figa shows the design of the element,

- фиг.1б приведена конструкция электродов,- figb shows the design of the electrodes,

- фиг.1в приведен ход лучей при напряжении, приложенном к одному из электродов верхней подложки и двум электродам нижней подложки,- figv shows the course of the rays at a voltage applied to one of the electrodes of the upper substrate and two electrodes of the lower substrate,

- фиг.1г приведен ход лучей при напряжении, приложенном к двум электродам верхней подложки и одному из электродов нижней подложки.- Fig.1g shows the path of the rays at a voltage applied to two electrodes of the upper substrate and one of the electrodes of the lower substrate.

Элемент жидкокристаллического дисплея состоит из слоя ЖК 1 с любым ориентационным (не рассеивающим) электрооптическим эффектом, способным обеспечить набег разности фаз, равный π.The liquid crystal display element consists of an LCD layer 1 with any orientational (non-scattering) electro-optical effect, capable of providing a phase difference incursion equal to π.

Это могут быть ориентационные эффекты в исходно планарной, гомеотропной, твистовой или супертвистовой ориентациях, или ориентационные эффекты в сегнетоэлектрических ЖК.These can be orientation effects in the initial planar, homeotropic, twist or super-twist orientations, or orientation effects in ferroelectric LCs.

Слой ЖК заключен между двумя прозрачными диэлектрическими подложками. Верхняя подложка 3 имеет систему полосчатых электродов 3 и 4, ширины которых R₁, R₂...R_k выбираются по закону формирования линз Френеля, приведенному ниже. Нижняя подложка 5 имеет систему полосчатых электродов 6 и 7, ширины которых R₁*, R₂*...R_k* выбираются по закону формирования линз Френеля, приведенному ниже. Элемент снабжен растровым конденсором 8 и непрозрачной входной маской 9 со щелями. Непрозрачная выходная маска 10 со щелями расположена на расстоянии f от слоя ЖК. Это расстояние может быть задано, например, толщиной подложки 5.An LC layer is sandwiched between two transparent dielectric substrates. The upper substrate 3 has a system of strip electrodes 3 and 4, the widths of which R ₁ , R ₂ ... R _k are selected according to the law of the formation of Fresnel lenses below. The lower substrate 5 has a system of strip electrodes 6 and 7, the widths of which R ₁ *, R ₂ * ... R _k * are selected according to the law of the formation of Fresnel lenses given below. The element is equipped with a raster capacitor 8 and an opaque input mask 9 with slots. An opaque exit mask 10 with slots is located at a distance f from the LCD layer. This distance can be set, for example, by the thickness of the substrate 5.

В исходном состоянии лучи белого неполяризованного цвета (RGB) освещают щели входной маски 9, которые размещены в фокусах растрового конденсора 8. Узкие пучки света, прошедшие сквозь щели входной маски, посредством конденсора преобразуются в параллельный пучок света, который освещает всю площадь слоя ЖК и систему электродов на подложках. Поскольку управляющие напряжения не приложены, то параллельный пучок света не претерпевает никаких изменений, достигает выходной маски 10 и поглощается, за исключением доли, приходящейся на щели выходной маски. Таким образом, реализуется первое оптическое состояние элемента - ТЕМНО.In the initial state, white non-polarized (RGB) rays illuminate the slits of the input mask 9, which are located at the foci of the raster condenser 8. The narrow beams of light transmitted through the slots of the input mask are converted into a parallel light beam by the condenser, which illuminates the entire area of the LCD layer and the system electrodes on the substrates. Since the control voltages are not applied, the parallel beam of light does not undergo any changes, reaches the output mask 10 and is absorbed, with the exception of the fraction falling on the slit of the output mask. Thus, the first optical state of the element is realized - DARK.

Известно, что система концетрических прозрачных и непрозрачных колец действует на проходящий сквозь нее свет как положительная линза (линза Френеля) при условии, что радиусы их выбраны из следующего соотношения:It is known that a system of concentric transparent and opaque rings acts on the light passing through it as a positive lens (Fresnel lens), provided that their radii are selected from the following relation:

Rk=(2kλf)^1/2.Rk = (2kλf) ^1/2 .

Здесь Rk - радиус k-го кольца, k - номер радиуса кольца, λ - длина волны света, f - фокусное расстояние линзы.Here Rk is the radius of the kth ring, k is the number of the radius of the ring, λ is the wavelength of light, f is the focal length of the lens.

Как видно из выражения, фокусное расстояние линзы разное для разных длин волн, т.е. при фиксированном наборе колец имеется набор фокусов для разных длин волн.As can be seen from the expression, the focal length of the lens is different for different wavelengths, i.e. with a fixed set of rings, there is a set of tricks for different wavelengths.

Если используется система прозрачных и непрозрачных полосок, расстояния между которыми подчиняются этому соотношению, то эта система действует как цилиндрическая линза Френеля.If a system of transparent and opaque strips is used, the distances between which obey this ratio, then this system acts as a cylindrical Fresnel lens.

Группы электродов-полосок 3, 4 на подложке 2 (фиг.1б) и 6, 7 на подложке 5 (фиг.1г) сформированы с использованием приведенного выше соотношения. Промежутки между электродами 3, 4 и 6, 7 должны быть сведены к технологически достижимому минимуму с тем, чтобы не вносить помех в работу линз.The groups of strip electrodes 3, 4 on the substrate 2 (Fig. 1b) and 6, 7 on the substrate 5 (Fig. 1d) are formed using the above ratio. The gaps between the electrodes 3, 4 and 6, 7 should be kept to the technologically achievable minimum so as not to interfere with the operation of the lenses.

Если в линзе Френеля чередуются прозрачные и непрозрачные полоски, то такая линза назывется амплитудной, и она может собрать в фокусе незначительное количество световой энергии заданной длины волны (амплитудная линза неэффективна). Если же чередуются прозрачные полосы с разным показателем преломления, причем так, что набег разности фаз между соседними полосками равен π, то такая фазовая линза может собрать в фокусе до 80% световой энергии одной длины волны.If transparent and opaque stripes alternate in a Fresnel lens, then such a lens is called amplitude, and it can collect an insignificant amount of light energy of a given wavelength in focus (the amplitude lens is ineffective). If transparent bands with different refractive indices alternate, and so that the phase difference between adjacent strips is π, then such a phase lens can collect up to 80% of the light energy of one wavelength in focus.

Принцип селекции цветов поясняется на фиг.1в, 1г.The principle of selection of colors is illustrated in figv, 1d.

Если управляющее напряжение приложено к полоскам электрода 4 подложки 2 и соединенным вместе электродам 6, 7 подложки 5 (они используются как единый сплошной электрод), исходная ориентация ЖК будет нарушена в областях под электродами 4. В пределах элемента возникнет система полосок с исходной и нарушенной ориентацией ЖК. Если исходная ориентация, толщина слоя ЖК и величина управляющих напряжений выбраны таким образом, что набег фаз между участками с исходной и нарушенной ориентацией равен π, то система полосок начинает работать как цилиндрическая линза Френеля. Фокусные расстояния для длин волн R, G, B равны, соответственно f_R, f_G, f_в (фиг.1в).If the control voltage is applied to the strips of the electrode 4 of the substrate 2 and the electrodes 6, 7 of the substrate 5 connected together (they are used as a single solid electrode), the initial orientation of the LCD will be violated in the areas under the electrodes 4. A system of strips with the original and broken orientation will appear within the cell. LCD If the initial orientation, the thickness of the LC layer, and the magnitude of the control stresses are chosen in such a way that the phase shift between the regions with the initial and disturbed orientation is π, then the system of strips begins to work like a cylindrical Fresnel lens. Focal lengths for wavelengths R, G, B are equal, respectively, f _R , f _G , f _in (figv).

Если выходная маска 10 расположена на расстоянии f=f_G от слоя ЖК, а щели ее размещены точно в фокусе образовавшейся линзы, то при поданной комбинации напряжений сквозь щели выходной маски начнет проходить свет с длиной волны G, тогда как остальные цвета образуют несфокусированные размытые пятна на поверхности маски 10 и лишь незначительная доля их пройдет через эту же щель. Таким образом, реализуется второе оптическое состояние элемента ЦВЕТ 1 (зеленый).If the output mask 10 is located at a distance f = f _G from the LCD layer, and its slots are placed exactly in the focus of the formed lens, then with a given combination of voltages, light with a wavelength G will begin to pass through the slots of the output mask, while the remaining colors form unfocused blurry spots on the surface of the mask 10 and only a small fraction of them will pass through the same slot. Thus, the second optical state of the element COLOR 1 (green) is realized.

Для того чтобы реализовать третье оптическое состояние - ЦВЕТ 2, (например, красный), для системы электродов 6, 7 подложки 5, необходимо задать величины Rk* таким образом, чтобы f=f_R* (фиг.1 г). Тогда при приложении напряжения к системе электродов 6 подложки 5 и соединенным вместе электродам 3, 4 подложки 2 возникнет линза с фокусным расстоянием f_R=f. При этой комбинации подачи управляющих напряжений через ту же щель выходной маски будет проходить цвет с длиной волны R (красный) и реализовано третье оптическое состояние ЦВЕТ 2.In order to realize the third optical state - COLOR 2, (for example, red), for the system of electrodes 6, 7 of the substrate 5, it is necessary to set the values of Rk * so that f = f _R * (Fig. 1 g). Then, when voltage is applied to the system of electrodes 6 of the substrate 5 and the electrodes 3, 4 of the substrate 2 connected together, a lens with a focal length f _R = f will appear. With this combination of supplying control voltages, the color with the wavelength R (red) will pass through the same slit of the output mask and the third optical state, COLOR 2, will be realized.

Спектральная ширина цветов и их интенсивность на выходе из щели определяется шириной щели. Более узкая щель дает более чистые цвета, но с меньшей интенсивностью.The spectral width of the flowers and their intensity at the exit from the slit is determined by the width of the slit. A narrower gap gives cleaner colors, but with less intensity.

Количество света одной длины волны, сконцетрированное в определенном фокусе, зависит от набега фаз между переориентированными участками и участками с исходной ориентацией. Набег фаз зависит от величины приложенного управляющего напряжения. Таким образом, наряду с селекцией цветов можно модулировать интенсивность проходящего света, причем это осуществляется без применения поляроидов.The amount of light of one wavelength, concentrated in a certain focus, depends on the phase incursion between the reoriented sections and the sections with the original orientation. The phase shift depends on the magnitude of the applied control voltage. Thus, along with the selection of colors, the intensity of transmitted light can be modulated, and this is done without the use of polaroids.

Таким образом, элемент предложенной конструкции позволяет два цвета на площади одного субпикселя и тем самым на 1/3 увеличить яркость изображений.Thus, the element of the proposed design allows two colors on the area of one subpixel and thereby 1/3 increase the brightness of the images.

Для того чтобы на базе настоящего элемента реализовать полноцветный дисплей (RGB-систему), необходимо на один пиксель дисплея использовать два элемента предложенной конструкции. На одном элементе будет реализовано 2 цвета, например R и G, а на другом реализован цвет В, и либо не используется второй цвет, либо реализуется четвертый цвет, нужный в высококачественных дисплеях.In order to implement a full color display (RGB system) on the basis of this element, it is necessary to use two elements of the proposed design for one pixel of the display. On one element 2 colors will be realized, for example R and G, and on the other, color B will be realized, and either the second color will not be used, or the fourth color will be realized, which is needed in high-quality displays.

Таким образом, при использовании. всего двух субпикселей (а не трех, как в прототипе) можно создать полноцветную систему индикации, яркость изображений в которой в 1,5 раза выше, что и является целью изобретения.Thus, when used. just two subpixels (and not three, as in the prototype) you can create a full-color display system, the brightness of the images in which is 1.5 times higher, which is the purpose of the invention.

Источники информацииSources of information

1. Патент Швейцарии RAN 4701/139-00, МКИ⁶ G 02 F 1/133, опублик. 14.02.95 г.1. Swiss patent RAN 4701 / 139-00, MKI ⁶ G 02 F 1/133, published. 02/14/95

2. Заявка на патент №98121162/25 (023164), приоритет 23.11.98 г.2. Application for patent No. 98121162/25 (023164), priority 11/23/98.

Claims

An element of a liquid crystal display containing a liquid crystal layer enclosed between two substrates with transparent electrodes, at least one of the electrodes is divided into strips, the width of which is selected according to the law of the formation of the Fresnel lens, the output mask with slots aligned with the foci of the Fresnel lenses, characterized in that an input mask with slots is introduced, a raster capacitor, the second of the electrodes is divided into strips, the widths of which are selected according to the law of the formation of the Fresnel lens, the focal lengths of both Fresnel lenses I was set to be, but for different wavelengths.