RU2456649C1 - Активные жидкокристаллические стереоочки - Google Patents

Активные жидкокристаллические стереоочки Download PDF

Info

Publication number
RU2456649C1
RU2456649C1 RU2010148477/28A RU2010148477A RU2456649C1 RU 2456649 C1 RU2456649 C1 RU 2456649C1 RU 2010148477/28 A RU2010148477/28 A RU 2010148477/28A RU 2010148477 A RU2010148477 A RU 2010148477A RU 2456649 C1 RU2456649 C1 RU 2456649C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
liquid crystal
ferroelectric
electronic driver
layer
helicoid
Prior art date
Application number
RU2010148477/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2010148477A (ru
Inventor
Игорь Николаевич Компанец (RU)
Игорь Николаевич Компанец
Александр Львович Андреев (RU)
Александр Львович Андреев
Василий Александрович Ежов (RU)
Василий Александрович ЕЖОВ
Александр Георгиевич Соболев (RU)
Александр Георгиевич Соболев
Original Assignee
Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн" filed Critical Закрытое Акционерное Общество "Мегавижн"
Priority to RU2010148477/28A priority Critical patent/RU2456649C1/ru
Priority to US13/990,339 priority patent/US20160124281A1/en
Priority to PCT/RU2011/000147 priority patent/WO2012074429A1/ru
Publication of RU2010148477A publication Critical patent/RU2010148477A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2456649C1 publication Critical patent/RU2456649C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/139—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
    • G02F1/141—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent using ferroelectric liquid crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
    • G02B30/22—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type
    • G02B30/24—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type involving temporal multiplexing, e.g. using sequentially activated left and right shutters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
    • G02B30/22—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type
    • G02B30/25—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type using polarisation techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133528—Polarisers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1343—Electrodes
    • G02F1/13439—Electrodes characterised by their electrical, optical, physical properties; materials therefor; method of making
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/135—Liquid crystal cells structurally associated with a photoconducting or a ferro-electric layer, the properties of which can be optically or electrically varied
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/332—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD]
    • H04N13/341—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD] using temporal multiplexing
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/135—Liquid crystal cells structurally associated with a photoconducting or a ferro-electric layer, the properties of which can be optically or electrically varied
    • G02F1/1351—Light-absorbing or blocking layers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)
  • Testing, Inspecting, Measuring Of Stereoscopic Televisions And Televisions (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области оптоэлектроники. Активные жидкокристаллические стереоочки, содержащие приемник синхросигнала, автономный источник питания, электронный драйвер и два жидкокристаллических затвора. Жидкий кристалл выполнен сегнетоэлектрическим с шагом p0 геликоида. Толщина d слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла и граничные условия для него выбраны в соответствии с условием Kφq2~WQ/d, где Kφ - модуль упругости деформации геликоида сегнетоэлектрического жидкого кристалла по азимутальному углу φ, a q - волновой вектор деформации геликоида сегнетоэлектрического жидкого кристалла. Автономный источник питания выполнен в виде низковольтного элемента питания, выходы которого соединены непосредственно с выводами питания электронного драйвера, электронный драйвер выполнен с предельной частотой переключения, соответствующей времени реакции сегнетоэлектрического затвора на напряжение низковольтного элемента питания. Предложен также интервал для выбора толщины слоя СЖК и условия на выполнение диэлектрического покрытия и низковольтного элемента питания. 4 ил.

Description

Область техники
Изобретение относится к области оптоэлектроники и дисплейной техники и может быть использовано в компьютерных и телевизионных системах двумерного и трехмерного отображения информации как со стандартной (60-160 Гц) кадровой частотой, так и с высокой (несколько килогерц) кадровой частотой, например, в универсальных стереоочках, проекционных трехмерных дисплеях LCOS-типа, а также в дисплеях мобильных устройств (телефонов, смартфонов, коммуникаторов).
Предшествующий уровень техники
Достоинством стереоскопических (3Д) дисплеев с использованием активных стереоочков (далее стереоочков) является реализация полного разрешения экрана в наблюдаемом трехмерном изображении при отсутствии ограничений для числа наблюдателей и для их положения относительно экрана, что является пока недостижимым практически для всех типов существующих безочковых (автостереоскопических) дисплеев.
От каждого оптического затвора стереоочков требуется достаточно короткое время реакции τreact, чтобы избежать перекрестных помех (crosstalk) между сменяющими друг друга на экране изображениями разных ракурсов 3Д сцены, и достаточно короткое время релаксации τrelax, чтобы избежать паразитного градиента яркости вдоль направления развертки в каждом из указанных изображений. Для современных 3Д дисплеев, работающих при стандартных кадровых частотах до 120-160 Гц, каждое из указанных времен переключения оптического затвора не должно превосходить 1-2 мс, поскольку стандартный временной промежуток τint между соседними кадрами составляет около 1 мс (определено временем обратного хода развертки изображения в ЭЛТ).
Кроме быстродействия, целесообразно иметь как можно ниже амплитуду управляющего оптическим затвором электрического напряжения, чтобы минимизировать энергию переключения пары оптических затворов и тем самым максимально продлить ресурс батареи в беспроводных стереоочках.
Традиционно в оптических затворах стереоочков и в качестве элементов жидкокристаллических (ЖК) экранов используют светомодулирующие ячейки на основе нематических жидких кристаллов (НЖК) (Nematic Liquid Crystals - NLC).
Известны активные жидкокристаллические стереоочки [1], содержащие приемник синхросигнала, автономный источник питания, электронный драйвер и два НЖК затвора, электрические входы первого и второго из которых подключены к первому и второму выходам электронного драйвера, вход которого подключен к выходу приемника синхросигнала, а автономный источник питания выполнен в виде одиночного элемента питания и повышающего стабилизированного преобразователя напряжения, при этом выход одиночного элемента питания подключен к входу повышающего стабилизированного преобразователя напряжения, причем выход одиночного элемента питания является первым выходом автономного источника питания и соединен с выводом питания приемника синхросигнала, а выход повышающего стабилизированного преобразователя напряжения является вторым выходом автономного источника питания и соединен с выводом питания электронного драйвера, каждый из ЖК затворов выполнен в виде последовательно оптически связанных первого линейного поляризатора, первой прозрачной диэлектрической пластины, слоя НЖК, второй прозрачной диэлектрической пластины и второго линейного поляризатора, на внутренние стороны первой и второй прозрачных диэлектрических пластин нанесены первый и второй прозрачные электроды, поверх которых нанесены первое и второе прозрачные ориентирующие анизотропные покрытия, поверх по крайней мере одного из которых нанесено прозрачное диэлектрическое покрытие, причем слой НЖК выполнен в виде π-структуры с возможностью электрически индуцированного изменения
Figure 00000001
своего двулучепреломления.
В известных к настоящему времени стереоочках основой оптических затворов являются либо π-структура в слое НЖК (угол φ=0), либо супертвист структура в слое НЖК (угол φ=270°), где φ - угол между первым и вторым директорами НЖК на первой и второй крайних поверхностях слоя НЖК, примыкающих к поверхностям соответственно первого и второго диэлектрических (анизотропных) покрытий. Это обусловлено достигаемым в таких структурах минимальным значением τrelax среди всех НЖК-структур [2]. НЖК π-структура характеризуется временем
Figure 00000002
реакции около 0,3 мс при величине 20 В знакопеременной амплитуды управляющего напряжения (±20 В) и временем
Figure 00000003
релаксации около 3 мс. При φ=270° (супертвист ячейка) напряжение управления снижается до ±12 В, а время
Figure 00000004
релаксации составляет около 2 мс при сохранении того же времени реакции. В обеих указанных НЖК-структурах
Figure 00000005
релаксации не зависит от величины управляющего напряжения (зависит от толщины d слоя НЖК).
Предельная собственная частота переключения стереоочков определяется суммой времени
Figure 00000006
реакции и времени
Figure 00000007
релаксации и составляет величину не более 300 Гц без учета времени, необходимого на развертку наблюдаемого стереоизображения. На практике частота кадров стереоизображения при наблюдении с помощью известных стереоочков с НЖК-затворами не превосходит 120-160 Гц.
Чем больше кадровая частота, тем не только меньше заметны мерцания стереоизображения, но тем лучше (корректнее) воспроизводится динамика наблюдаемых 3Д сцен, поскольку в этом случае каждый глаз воспринимает информацию с экрана попеременно с другим глазом (сквозь попеременно переключаемые затворы стереоочков), т.е. промежуток времени отсутствия информации для каждого из глаз в 2 раза дольше, чем при наблюдении обычного (моноскопического) изображения. Т.е. для получения одинакового корректного восприятия динамики наблюдаемых сцен кадровая частота стереоизображения должна быть в 2 раза выше, чем кадровая частота моноскопического изображения. Поскольку стандартная кадровая частота моноскопических дисплеев уже достигла величины 120 Гц, то стандартная кадровая частота стереоскопических изображений должны быть не менее 240 Гц с точки зрения того же качества воспроизведения динамики 3Д сцены.
Для уменьшения мерцаний предложены методы [2-4] увеличения частоты поступления светового потока (до 240-480 Гц) за счет пространственной модуляции подсветки в ЖК-дисплеях (что является аналогом оптической обтюрации при кинопоказе). Они ведут к понижению мерцаний, однако при этом сохраняется прежней реальная частота обновления информации на экране (реальная частота кадров), что не позволяет улучшить также и плавность воспроизведения динамических сцен.
Повышения частоты кадров требует и новая перспективная технология последовательной во времени смены цветов на экране дисплея, которая делает возможным получение более ярких цветных изображений при сокращении втрое числа дисплейных элементов и исключении цветных фильтров.
Следовательно, неуклонная тенденция развития стереоскопической дисплейной техники состоит в увеличении (до 480 Гц и более) реальной кадровой частоты изображений с тем, чтобы при наблюдении 3Д изображений с использованием стереоочков полностью исключить как мерцания наблюдаемого изображения (к которому особенно чувствительно периферическое зрение при продолжительном наблюдении), так и повысить плавность воспроизведения динамических 3Д сцен.
Недостатком известных стереоочков при работе с высокой (160-240 Гц и выше) частотой переключения является ухудшение качества наблюдаемого стереоизображения вследствие излишне большого значения времени
Figure 00000008
. В стереоизображении появляется паразитный градиент яркости, поскольку необходимое для его отсутствия условие τrelax≤τint здесь не выполняется. Например, при кадровой частоте 480-500 Гц время развертки кадра составляет около 2 мс, а разница (τrelax-τint) для затворов известных стереоочков составляет (3-1)=2 мс. Отсюда следует, что градиент (неравномерность) яркости будет захватывать всю высоту наблюдаемого изображения (с минимумом яркости изображения вверху, в начале развертки, и постепенным возрастанием до максимума яркости внизу).
Другим недостатком известных стереоочков является повышенное энергопотребление, поскольку при работе от низковольтных (3 В) элементов питания необходим повышающий (с 3 до 12-20 В) преобразователь напряжения для обеспечения требуемого уровня управляющего напряжения на затворах, а величина энергопотребления прямо пропорциональна квадрату величины напряжения.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой в изобретении, является улучшение качества стереоизображения, наблюдаемого с помощью стереоочков, при снижении их энергопотребления.
В последние годы достигнуты многообещающие результаты по созданию скоростных затворов на основе ориентированных слоев сегнетоэлектрических жидких кристаллов - СЖК (в английском написании Ferroelectric Liquid Crystals - FLC) [5].
Поставленная задача решается в активных жидкокристаллических стереоочках, содержащих приемник синхросигнала, автономный источник питания, электронный драйвер и два ЖК-затвора, электрические входы первого и второго из которых подключены к первому и второму выходам электронного драйвера, вход которого подключен к выходу приемника синхросигнала, а выход автономного источника питания соединен с выводами питания приемника синхросигнала и электронного драйвера, при этом каждый из ЖК-затворов выполнен в виде последовательно оптически связанных первого линейного поляризатора, первой прозрачной диэлектрической пластины, слоя жидкого кристалла, второй прозрачной диэлектрической пластины и второго линейного поляризатора, на внутренние стороны первой и второй прозрачных диэлектрических пластин нанесены первый и второй прозрачные электроды, поверх которых нанесены первое и второе прозрачные ориентирующие анизотропные покрытия, поверх по крайней мере одного из которых нанесено прозрачное диэлектрическое покрытие, слой жидкого кристалла выполнен с возможностью электрически индуцированного изменения своей оптической анизотропии, тем что жидкий кристалл выполнен сегнетоэлектрическим с шагом p0 геликоида, толщина d слоя СЖК и граничные условия для него, определяемые через квадратичный коэффициент WQ энергии сцепления молекул слоя СЖК с граничащей поверхностью диэлектрического покрытия либо ориентирующего анизотропного покрытия, выбраны в соответствии с физическим условием Kφq2~WQ/d, где Kφ - модуль упругости деформации геликоида СЖК по азимутальному углу φ, a q - волновой вектор деформации геликоида СЖК (по аналогии с q0=2π/p0 - волновым вектором невозмущенного геликоида с шагом спирали p0), автономный источник питания выполнен в виде низковольтного элемента питания, выходы которого соединены непосредственно с выводами питания электронного драйвера, электронный драйвер выполнен с предельной частотой переключения, соответствующей времени реакции сегнетоэлектрического затвора на напряжение низковольтного элемента питания.
По сравнению с НЖК слоем в затворах известных стереоочков временные характеристики переключения известных СЖК-слоев не менее чем на порядок лучше [5], при этом одинаково малы значения времен включения и выключения, поскольку каждое из них равно времени
Figure 00000009
реакции слоя СЖК на приложенное управляющее напряжение соответствующего знака (полярности). Однако известные СЖК-слои характеризуются высокими значениями управляющего напряжения (не менее 5-10 В), что обусловлено необходимостью тратить существенную энергию управляющего поля на раскрутку геликоида (спиралевидной закрутки молекул СЖК) и перевод слоя СЖК в иное энергетическое состояние. Оно должно соответствовать требуемому изменению направления поляризации света (изначально заданного направлением оси первого линейного поляризатора), проходящего через слой СЖК, с тем чтобы получить требуемую интенсивность света за вторым линейным поляризатором.
В каждом затворе предложенных стереоочков в тонком (менее 2 мкм) слое СЖК-геликоид в отсутствие внешнего электрического поля деформирован для компенсации энергии связи молекул граничных слоев СЖК с каждой из примыкающих к ним поверхностью диэлектрического покрытия либо ориентирующего анизотропного покрытия. В соответствии с физическим условием (1) геликоид СЖК-частично раскручивается даже в отсутствие внешнего управляющего поля. Этим достигается существенное снижение энергии внешнего управляющего поля, требуемого для переключения ячейки СЖК (при приложении напряжения управления к электродам - электрическим входам СЖК-затвора) в требуемое оптическое состояние. Таким образом, в результате выполнения условия (1), обеспечивающего частичную раскрутку геликоида СЖК в отсутствие электрического поля, управляющее напряжение для СЖК-затвора существенно снижается без понижения максимальной частоты переключения затвора.
Частота переключения связана с временем оптического отклика на управляющее электрическое воздействие, т.е. со скоростью переориентации директора СЖК. Эта скорость в свою очередь зависит от того, какой тип вязкости - вращательная или сдвиговая вязкость превалирует, и тем самым отвечает за диссипацию энергии [6]. На частотах до 300 Гц скорость переориентации директора обусловлена обычной (вращательной) вязкостью, а на более высоких частотах, выше обратного времени максвелловской релаксации жидкости, СЖК начинает себя вести как аморфное твердое тело, т.е. деформируется упруго. Тогда сдвиговая вязкость отвечает за скорость переориентации директора СЖК, и сам он переориентируется за счет движения доменных стенок. Увеличение напряженности поля приводит к росту скорости движения доменных границ и существенному уменьшению времени отклика, т.е. улучшению частотных свойств СЖК-ячейки.
Конкретным техническим результатом является увеличение предельной частоты переключения затворов до значения около 8 кГц при величине управляющего знакопеременного напряжения не более 3 В и до значения около 3 кГц при величине управляющего напряжения не более 1,5 В. Поскольку предельная частота переключения затворов фактически определяет предельную частоту переключения стереоочков в целом, то тем самым поставленная задача решена при получении указанного технического результата, т.е. достигается улучшение качества наблюдаемого стереоизображения за счет полного устранения мерцаний и улучшения условий наблюдения динамических сцен при увеличении предельной частоты переключения стереоочков и при понижении их энергопотребления за счет снижения напряжения управления СЖК-затворами до величин, характерных для низковольтных элементов питания (3-1,5 В), например литиевой батареи, щелочного элемента, серебряно-цинкового элемента. При этом отсутствие необходимости в преобразователе напряжения в электронном тракте стереоочков дополнительно повышает их энергетическую экономичность, поскольку к.п.д. повышающего преобразователя напряжения в известных стереоочках не превосходит 75%.
В первом частном варианте выполнения устройства прозрачное диэлектрическое покрытие нанесено на внутреннюю поверхность только одной из диэлектрических пластин. Достоинством этого частного варианта выполнения устройства является дополнительное снижение управляющего напряжения за счет устранения энергетического барьера на одной из двух границ диэлектрик - СЖК, присутствующих в устройстве, и улучшение условий частичной раскрутки геликоида в отсутствие прилагаемого к ячейке электрического напряжения.
Во втором частном варианте выполнения устройства толщина слоя СЖК в пропускающей свет ячейке выбрана в интервале 1,3-1,8 мкм в зависимости от конкретной величины оптической анизотропии (двулучепреломления) СЖК.
Краткое описание фигур чертежей
На чертежах представлены:
Фиг.1. - структурная схема стереоочков.
Фиг.2. - сечение СЖК затвора стереоочков.
Фиг.3 - пояснение структуры слоя СЖК и характера модуляции в нем света.
Фиг.4 - формы периодического управляющего напряжения ±1,5 В на частоте 1 кГц (сверху) и оптического отклика СЖК-затвора (внизу), отображаемые на экране осциллографа.
Осуществление изобретения
Активные ЖК-стереоочки содержат (фиг.1) приемник 1 синхросигнала, низковольтный элемент 2 питания, электронный драйвер 3, левый 4 и правый 5 сегнетоэлектрические жидкокристаллические (СЖК) затворы, выход низковольтного источника 2 питания подключен к выводу питания приемника 1 синхросигнала и выводу питания электронного драйвера 3, а каждый из СЖК-затворов 4, 5 содержит (фиг.2) первый линейный поляризатор 6, первую прозрачную диэлектрическую (стеклянную) пластину 7, слой 8 СЖК-толщиной d, вторую диэлектрическую (стеклянную) пластину 9 и второй линейный поляризатор 10, при этом на внутренние стороны обеих диэлектрических пластин 7, 9 нанесены прозрачные электроды (прозрачные токопроводящие покрытия) 11, 12, на которые нанесены прозрачные ориентирующие анизотропные покрытия 13, 14, поверх которых нанесены прозрачные диэлектрические покрытия 15, 16 (одно из которых может отсутствовать), примыкающие к граничным поверхностям слоя 8 СЖК, граничные условия для которого выбраны в соответствии с условием
Figure 00000010
где Kφ - модуль упругости деформации геликоида СЖК по азимутальному углу φ;
q0 - волновой вектор деформации геликоида СЖК;
WQ - энергия сцепления молекул слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла с граничащей с ним поверхностью диэлектрического покрытия либо ориентирующего анизотропного покрытия.
Слой СЖК (фиг.3) представляет собой слоистую спирально закрученную структуру - геликоид. Здесь между прозрачными диэлектрическими пластинами 17 с прозрачными электродными покрытиями 18 располагаются смектические слои 19, обусловленные периодической упорядоченностью центров масс молекул вдоль направления ориентации их длинных осей (директора) с периодом порядка длины молекул. Молекулы обладают дипольным моментом, перпендикулярным их длинным осям, и слой СЖК обладает спонтанной поляризацией PS. В каждом слое положение директора определяется полярным углом θ0 и азимутальным углом φ, который изменяется от 0 до 2π на расстоянии, равном шагу спирали геликоида p0. Под действием электрического поля от источника знакопеременного напряжения 20, приложенного параллельно смектическим слоям (вдоль координаты X), вектор PS во всех слоях ориентируется по направлению поля. Как следствие этого, геликоид раскручивается. При смене знака поля вектор PS переориентируется на 180°. В этом случае длинные оси молекул разворачиваются по конусу с раствором 2θ0, то есть азимутальный угол ориентации директора φ изменяется на 180°. Переориентация директора, направление которого однозначно определяет главную оптическую ось эллипсоида показателей преломления СЖК, приводит к изменению угла между плоскостью поляризации падающего света (свет распространяется вдоль координаты X) и главной оптической осью эллипсоида, что означает модуляцию фазовой задержки между обыкновенным и необыкновенным лучами, или модуляцию интенсивности света, если электрооптическая ячейка находится между скрещенными поляризаторами.
При выполнении условия (1) и в отсутствие прилагаемого электрического поля (Е=0) за счет взаимодействия молекул СЖК с граничным слоем происходит частичная раскрутка геликоида, а при Е>0 происходит переориентация молекул СЖК вследствие движения доменных стенок. Это способствует повышению чувствительности СЖК-ячейки к воздействию электрического поля. Характер переориентации молекул СЖК в электрическом поле зависит от того, какой коэффициент отвечает за диссипацию энергии в слое - вращательная или сдвиговая вязкость. На высоких частотах поля (f), когда τm·f<<1 (здесь τm - время максвелловской релаксации жидкости), СЖК начинает себя вести как аморфное твердое тело и деформируется упруго. Молекулы переориентируются за счет движения доменных стенок, а время оптического отклика, определяемое сдвиговой вязкостью и скоростью движения доменных границ, уменьшается с частотой.
Для большого числа композиций СЖК Δn≈0,17, и оптимальная толщина слоя, по оптическим свойствам соответствующего полуволновой пластинке для белого света, равна 1,4 мкм. Достоинством второго частного варианта выполнения устройства является получение ахроматической модуляционной характеристики - равномерной для R-, G- и В-составляющих изображения в случае использования стереоочков для наблюдения цветных стереоизображений.
Высокая скорость переключения СЖК-затвора при низком управляющем напряжении (±1,5 В на частоте 1 кГц) иллюстрируется фиг.4. Видно, что переходное время оптического отклика не превышает 100 мкс.
Устройство работает следующим образом. Сигнал синхронизации (ИК-сигнал или радиосигнал, например) поступает на вход приемника 1 синхросигнала, который усиливает его до значений логического сигнала, поступающего на вход электронного драйвера 3, который выполняет распознавание и обработку информации, содержащейся в синхросигнале (о моменте начала каждого кадра изображения, реализуемого на экране дисплея), и вырабатывает напряжение управления СЖК-затворами, обеспечивающее открытие левого 4 (правого 5) из них в процессе развертки изображения левого (правого) ракурса отображаемой 3Д сцены на экране дисплея. Зритель, снабженный стереоочками, попеременно наблюдает левое и правое изображение, световые потоки которых попадают соответственно в левый и правый глаз, что в силу бинокулярных свойств зрения ведет к восприятию наблюдателем объемного (стереоскопического) изображения воспроизводимой 3Д сцены. Питание приемника 1 синхросигнала и электронного драйвера 3 осуществляется напрямую от низковольтного элемента 2 питания. Конкретно, достаточно использования 3 В литиевого элемента типа CR2032 для получения предельной частоты переключения стереоочков в несколько килогерц. При этом не требуется стабилизация напряжения питания данного литиевого элемента в силу его достаточно пологой разрядной характеристики - минимальное напряжение при окончании ресурса составляет около 2,5 В, при котором все узлы стереоочков сохраняют работоспособность практически без снижения технических характеристик, которые обеспечиваются при свежем элементе питания.
Скорость переключения стереоочков (скорость смены изображений ракурсов на экране) выбрана достаточно высокой для того, чтобы полностью отсутствовали мерцания наблюдаемого изображения и обеспечивалась требуемая степень корректности (плавности) воспроизведения динамичных сцен, а пониженное энергопотребление стереоочков обеспечивает длительный ресурс элемента питания.
Промышленная применимость
Предлагаемые активные жидкокристаллические стереоочки с СЖК-затворами являются низковольтными, быстродействующими, характеризуются низким энергопотреблением, работающими в диапазоне температур, соответствующем нормальным условиям эксплуатации, причем технология изготовления такой ячейки схожа с хорошо отработанной технологией НЖК-затворов, что способствует эффективному применению изобретения для трехмерного полноцветного отображения.
Конкретный пример осуществления изобретения
Для осуществления предлагаемого изобретения было изготовлено несколько экспериментальных образцов оптических затворов жидкокристаллических модуляторов и были измерены их характеристики.
Размер модулятора - ячейки СЖК был равен 50×35 мм, т.е. составлял около 17 кв. см. Для его питания использовалась стандартная 3-х вольтовая литиевая батарейка CR2032.
Использовались слои СЖК с жидкокристаллической фазой в интервале от +1°C до +64°C, спонтанная поляризация была равна 48 нКл/см, коэффициент вращательной вязкости - 0,75 Пз, а шаг геликоида - 0,45 мкм. Согласно [7] упругая энергия СЖК может быть найдена из следующего соотношения:
Figure 00000011
где χst - статическое значение диэлектрической восприимчивости, θ - угол наклона молекул в смектических слоях. В рассматриваемом случае χst=70, угол θ=23° (или 0,4025 рад) и значение Kφq2 составляет около 900 эрг/см3.
В качестве прозрачного анизотропного ориентирующего покрытия использовалась изготовленная с помощью центрифуги пленка полиимида толщиной порядка 30 нм, которая натиралась. В качестве диэлектрического покрытия служила изготовленная с помощью напыления пленка двуокиси алюминия толщиной 80 нм.
Для планарной ориентации директора СЖК (Фиг.1а) квадратичный коэффициент энергии сцепления составлял WQ=0,05 эрг/см2. Толщина слоя СЖК была 1,5 мкм, что для WQ/d давало значение около 770 эрг/см2 и удовлетворяло соотношению (2) с точностью до порядка величины для указанных типов энергии.
Взаимодействие молекул с поверхностью приводило к частичной раскрутке геликоида. Шаг геликоида в электрооптической ячейке не изменялся, но азимутальный угол φ во всех смектических слоях становился близким к 0 или π. В результате СЖК разбивался на домены, период которых порядка p0/2. Для СЖК с шагом геликоида p0~0,45 мкм частичная раскрутка геликоидальной структуры происходила при толщине слоя СЖК d=1,5 мкм.
При экранировании прозрачного токопроводящего покрытия на одной из подложек электрооптической ячейки слоем диэлектрика практически в три раза (от 0,015 до 0,04 эрг/см2) увеличивалась разность полярных коэффициентов энергии сцепления для обеих подложек, влияющая на скорость движения доменных границ, в результате чего время электрооптического отклика ячейки уменьшалось более чем в три раза уже при частоте изменения поля порядка 200 Гц. При напряженности электрического поля 1 В/мкм время электрооптического отклика составляло 50÷70 мкс.
Экспериментально наблюдаемое в скрещенных поляроидах пропускание света в модуляторе на основе СЖК-ячейки с односторонним диэлектрическим покрытием при управлении импульсами ±1,5 В модулируется до 600 В и не обнаруживает на этих частотах гистерезиса, причем модуляционная характеристика подобна таковой для ячеек на основе нематических ЖК. При управлении импульсами ±3,0 В такая же модуляционная характеристика наблюдается на частоте до 1500 Гц.
Низковольтная электронная часть стереоочков выполнена на микропотребляющих компонентах - электронный драйвер на программируемом микроконтроллере серии 430 фирмы Texas Instruments (США) с напряжением питания 1,8-3 В, приемник синхросигнала - на микропотребляющих операционных усилителях MIC863 фирмы Micrel (США) с напряжением питания 1,1-3 В. В качестве низковольного элемента питания используется литиевый элемент CR2032 напряжением 3 В. Возможно использование двух последовательно соединенных 1,5-вольтовых щелочных либо серебряно-цинковых элементов либо их перезаряжаемых аналогов (аккумуляторов).
Таким образом, рассмотренный пример осуществления изобретения подтверждает получение заявленных технических результатов и решение поставленной в изобретении задачи.
Figure 00000012

Claims (4)

1. Активные жидкокристаллические стереоочки, содержащие приемник синхросигнала, автономный источник питания, электронный драйвер и два жидкокристаллических затвора, электрические входы первого и второго из которых подключены к первому и второму выходам электронного драйвера, вход которого подключен к выходу приемника синхросигнала, а выход автономного источника питания соединен с выводами питания приемника синхросигнала и электронного драйвера, при этом каждый из ЖК затворов выполнен в виде последовательно оптически связанных первого линейного поляризатора, первой прозрачной диэлектрической пластины, слоя жидкого кристалла, второй прозрачной диэлектрической пластины и второго линейного поляризатора, на внутренние стороны первой и второй прозрачных диэлектрических пластин нанесены первый и второй прозрачные электроды, поверх которых нанесены первое и второе прозрачные ориентирующие анизотропные покрытия, поверх по крайней мере одного из которых нанесено прозрачное диэлектрическое покрытие, слой жидкого кристалла выполнен с возможностью электрически индуцированного изменения своей оптической анизотропии, отличающиеся тем, что жидкий кристалл выполнен сегнетоэлектрическим с шагом p0 геликоида сегнетоэлектрического жидкого кристалла, толщина d слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла и граничные условия для него, определяемые через квадратичный коэффициент WQ энергии сцепления молекул слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла с граничащей с ним поверхностью диэлектрического покрытия либо ориентирующего анизотропного покрытия, выбраны в соответствии с условием Kφq2~WQ/d, где Kφ - модуль упругости деформации геликоида сегнетоэлектрического жидкого кристалла по азимутальному углу φ, а q - волновой вектор деформации геликоида сегнетоэлектрического жидкого кристалла, автономный источник питания выполнен в виде низковольтного элемента питания, выходы которого соединены непосредственно с выводами питания электронного драйвера, электронный драйвер выполнен с предельной частотой переключения, соответствующей времени реакции сегнетоэлектрического затвора на напряжение низковольтного элемента питания.
2. Активные жидкокристаллические стереоочки по п.1, отличающиеся тем, что толщина d слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла выбрана в интервале 1,3÷1,8 мкм.
3. Активные жидкокристаллические стереоочки по п.1, отличающиеся тем, что диэлектрическое покрытие нанесено только на одно прозрачное анизотропное покрытие.
4. Активные жидкокристаллические стереоочки по п.1, отличающиеся тем, что низковольтный элемент питания выполнен в виде одного литиевого элемента, либо по крайней мере одного полуторавольтового щелочного элемента, либо по крайней мере одного полуторавольтового серебряно-цинкового элемента.
RU2010148477/28A 2010-11-29 2010-11-29 Активные жидкокристаллические стереоочки RU2456649C1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010148477/28A RU2456649C1 (ru) 2010-11-29 2010-11-29 Активные жидкокристаллические стереоочки
US13/990,339 US20160124281A1 (en) 2010-11-29 2011-03-10 Active Liquid-Crystal 3D Glasses
PCT/RU2011/000147 WO2012074429A1 (ru) 2010-11-29 2011-03-10 Активные жидкокристаллические стереоочки

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010148477/28A RU2456649C1 (ru) 2010-11-29 2010-11-29 Активные жидкокристаллические стереоочки

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010148477A RU2010148477A (ru) 2012-06-10
RU2456649C1 true RU2456649C1 (ru) 2012-07-20

Family

ID=46172142

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010148477/28A RU2456649C1 (ru) 2010-11-29 2010-11-29 Активные жидкокристаллические стереоочки

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20160124281A1 (ru)
RU (1) RU2456649C1 (ru)
WO (1) WO2012074429A1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2512095C1 (ru) * 2012-11-13 2014-04-10 Игорь Николаевич Компанец Быстродействующие низковольтные жидкокристаллические стереоочки
RU2680871C1 (ru) * 2016-01-21 2019-02-28 Шэньчжэнь Чайна Стар Оптоэлектроникс Текнолоджи Ко., Лтд. Способ изготовления дисплейной панели и жидкокристаллическое дисплейное устройство

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0892563A2 (en) * 1997-07-18 1999-01-20 Idemitsu Kosan Co., Ltd. Stereoscopic television system
RU2189619C1 (ru) * 2001-01-10 2002-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт телевидения" Очки для наблюдения цветных стереотелевизионных изображений

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62196618A (ja) * 1986-02-24 1987-08-31 Sharp Corp 擬似立体表示システム
US6252624B1 (en) * 1997-07-18 2001-06-26 Idemitsu Kosan Co., Ltd. Three dimensional display
US20110234775A1 (en) * 2008-10-20 2011-09-29 Macnaughton Boyd DLP Link System With Multiple Projectors and Integrated Server
CA2684513A1 (en) * 2008-11-17 2010-05-17 X6D Limited Improved performance 3d glasses
JP5342400B2 (ja) * 2009-10-07 2013-11-13 株式会社ジャパンディスプレイ 液晶シャッタ

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0892563A2 (en) * 1997-07-18 1999-01-20 Idemitsu Kosan Co., Ltd. Stereoscopic television system
RU2189619C1 (ru) * 2001-01-10 2002-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт телевидения" Очки для наблюдения цветных стереотелевизионных изображений

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2512095C1 (ru) * 2012-11-13 2014-04-10 Игорь Николаевич Компанец Быстродействующие низковольтные жидкокристаллические стереоочки
WO2014077737A1 (ru) * 2012-11-13 2014-05-22 Kompanets Igor Nikolaevich Быстродействующие низковольтные жидкокристаллические стереоочки
RU2680871C1 (ru) * 2016-01-21 2019-02-28 Шэньчжэнь Чайна Стар Оптоэлектроникс Текнолоджи Ко., Лтд. Способ изготовления дисплейной панели и жидкокристаллическое дисплейное устройство

Also Published As

Publication number Publication date
US20160124281A1 (en) 2016-05-05
RU2010148477A (ru) 2012-06-10
WO2012074429A1 (ru) 2012-06-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8184215B2 (en) High-speed liquid crystal polarization modulator
US8820937B2 (en) Optical polarization state modulator assembly for use in stereoscopic three-dimensional image projection system
US8023052B1 (en) High-speed liquid crystal polarization modulator
JP5852124B2 (ja) 立体ディスプレイシステムと、そのシステムに使用されるメガネおよびそのディスプレイ方法
EP1091342A2 (en) Display technique of high grey scale
CN110618547B (zh) 液晶显示装置及其驱动方法
US20210325737A1 (en) Display panel, display apparatus and anti-peeping method
RU2456649C1 (ru) Активные жидкокристаллические стереоочки
US9946133B2 (en) Field sequential color ferroelectric liquid crystal display cell
US8976306B2 (en) Shutter glasses and related 3D display system
JPH08201942A (ja) 液晶シャッター及び立体画像認識眼鏡
US20160209720A1 (en) Ferroelectric Liquid-Crystal Display Cell
US20130141653A1 (en) Display apparatus
RU2512095C1 (ru) Быстродействующие низковольтные жидкокристаллические стереоочки
US5818548A (en) Ferroelectric liquid crystal display in which the switching angle does not exceed ± 22.5°
JPH10221718A (ja) 強誘電性の液晶セル
KR20030017996A (ko) 전기조광소자 및 그 구동방법
EP0687935A1 (en) Liquid crystal device and process for preparing the same
JPH1096894A (ja) 液晶の表示、スイッチあるいは画像処理の装置
Andreev et al. 8.3: Stereo Glasses with Fast Low Voltage FLC Shutters
RU2503984C1 (ru) Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка
Andreev et al. Fast LC devices with lowest control voltage
JPH08327970A (ja) 液晶装置の駆動方法
CN107209431B (zh) 立式螺旋铁电液晶显示单元
WO2013126454A1 (en) Optical polarization state modulator assembly for use in stereoscopic three-dimensional image projection system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161130