RU2196349C2

RU2196349C2 - Element of liquid-crystal display

Info

Publication number: RU2196349C2
Application number: RU98121162/28A
Authority: RU
Inventors: В.А. Цветков; О.В. Цветков; И.В. Цветков
Original assignee: Цветков Валентин Алексеевич; Цветков Олег Валентинович; Цветков Илья Валентинович
Priority date: 1998-11-23
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 2003-01-10

Abstract

FIELD: electronics. SUBSTANCE: element of liquid-crystal display includes layer of liquid crystal located between two substrates with clear electrodes and triad of light filters selecting color of three primary lengths of waves R, G, B. Three phase Fresnel lenses are utilized for selection of colors. Fresnel lenses are formed with application of voltage to layer of liquid crystal ( active lenses ). Each lens focuses color of one length of wave in slit of output mask. Modulation of intensity of each length of waves is realized by change of value of applied voltage without use of any polarizers. EFFECT: enhanced relative aperture. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к индикаторной технике, в частности к цветным жидкокристаллическим дисплеям, в которых селекция цветов в пределах каждого элемента (пикселя) производится разнесенными по его плоскости светофильтрами с тремя первичными 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 light filters spaced along its plane 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, размещенного между двумя подложками с прозрачными электродами и ориентирующими покрытиями на внутренних сторонах и триаду светофильтров, пропускающих свет одной из трех первичных длин волн: R - красный, G - зеленый, В - синий /1/. Светофильтры триады выполнены из полимера с внедренным красителем одного из первичных цветов. Напротив каждого из светофильтров расположен участок ЖК, который с помощью поляроидов при приложении напряжения регулирует количество света, проходящего сквозь каждый из светофильтров, благодаря чему и создается цветное изображение. A known element of an LCD display comprising a layer of an LCD placed between two substrates with transparent electrodes and orienting coatings on the inside and a triad of filters that transmit light from one of the three primary wavelengths: R - red, G - green, B - blue / 1 /. The filters of the triad are made of polymer with an embedded dye of one of the primary colors. A section of the LCD is located opposite each of the filters, which, with the use of polaroids, regulates the amount of light passing through each of the filters through the application of voltage, which creates a color image.

Недостатками известного дисплея являются малая светосила (большая доля света поглощается светофильтром) и высокая стоимость, обусловленная технологическими трудностями при изготовлении: на обычно легкоплавкий полимер нужно наносить прозрачные электроды и ориентирующие покрытия, а это обычно процессы высокотемпературные. Долговечность элемента ограничена, т.к. ЖК может химически реагировать с полимером светофильтра и/или с красителем. Это может привести к его деградации и потере работоспособности. The disadvantages of the known display are the low luminosity (a large fraction of the light is absorbed by the light filter) and the high cost due to technological difficulties in manufacturing: usually low-melting polymer must be applied with transparent electrodes and orienting coatings, and these are usually high-temperature processes. The durability of the element is limited, because LC can chemically react with the polymer of the light filter and / or with the dye. This can lead to its degradation and loss of performance.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является элемент ЖК дисплея, аналогичный по конструкции, но для селекции цветов используются полоски фотополимера, способного при освещении УФ-излучением изменять величину двулучепреломления. В каждой из полосок триады светофильтров наведена разная величина двулучепреломления такая, что при соответствующем расположении поляроидов, каждая из полосок пропускает свет с длиной волны одного из первичных цветов /2/. The closest in technical essence to the present invention is an LCD display element that is similar in design, but strips of photopolymer are used to select colors, which can change birefringence when illuminated with UV radiation. In each of the strips of the triad of light filters, a different birefringence is induced such that, with an appropriate arrangement of polaroids, each of the strips transmits light with a wavelength of one of the primary colors / 2 /.

Достоинством такого исполнения триады светофильтров в известном элементе дисплея является более высокая светосила, т.к. нет красителей, поглощающих свет. Остальные недостатки те же, что и у предыдущего технического решения, т. е. технологические трудности при изготовлении и, следовательно, высокая стоимость и возможность деградации ЖК за счет химического взаимодействия ЖК и полимерного светофильтра. The advantage of this design of the triad of filters in the known display element is a higher aperture ratio, because no dyes that absorb light. The remaining disadvantages are the same as the previous technical solution, i.e., technological difficulties in manufacturing and, therefore, the high cost and the possibility of degradation of the LC due to the chemical interaction of the LC and the polymer filter.

Техническим результатом изобретения является повышение светосилы и упрощение технологии изготовления, приводящее к снижению стоимости и увеличению долговечности. The technical result of the invention is to increase luminosity and simplify manufacturing techniques, leading to lower costs and increased durability.

Указанный технический результат достигается созданием элемента жидкокристаллического дисплея, содержащего слой ЖК, заключенный между двумя подложками с электродами на внутренних сторонах и элементы, образующие триаду светофильтров, пропускающие свет трех первичных длин волн. The specified technical result is achieved by creating an element of a liquid crystal display containing an LC layer enclosed between two substrates with electrodes on the inner sides and elements forming a triad of light filters that transmit light of three primary wavelengths.

Каждый из светофильтров триады представляет собой линзу Френеля, которая формируется из участков слоя ЖК с исходной (без приложения управляющего напряжения) и нарушенной (после приложения напряжения) ориентацией. Нарушение исходной ориентации происходит за счет наличия на одном из электродов системы электрически изолированных полосок, ширины которых подчиняются определенному закону, и приложения к ним напряжения. Each of the filters of the triad is a Fresnel lens, which is formed from sections of the LC layer with the initial (without applying the control voltage) and broken (after applying the voltage) orientation. The initial orientation is violated due to the presence of electrically isolated strips on one of the electrodes of the system, the widths of which obey a certain law, and the application of voltage to them.

Фокусные расстояния линз Френеля зависят от длины волны света. В предлагаемом решении фокусные расстояния каждой из линз заданы одинаковыми, но для разных первичных длин волн в каждом из светофильтров триады. Элемент снабжен выходной маской со щелями и положение щелей согласовано с фокусами линз таким образом, что сфокусированный свет одной первичной длины волны проходит сквозь щель выходной маски, а две другие длины волны поглощаются маской. The focal lengths of Fresnel lenses depend on the wavelength of light. In the proposed solution, the focal lengths of each of the lenses are set the same, but for different primary wavelengths in each of the filters of the triad. The element is equipped with an exit mask with slots and the position of the slits is consistent with the foci of the lenses so that focused light of one primary wavelength passes through the slit of the output mask, and two other wavelengths are absorbed by the mask.

Таким образом, сформированные в ЖК посредством полосок электродов и управляющего напряжения линзы Френеля производят селекцию цветов без применения красителей или полимеров, поглощающих свет, благодаря чему светосила элемента существенно увеличивается. Thus, Fresnel lenses formed in the liquid crystal by means of electrode strips and control voltage produce color selection without the use of dyes or polymers that absorb light, due to which the luminosity of the element increases significantly.

Одновременно с селекцией производится и модуляция интенсивности света, проходящего сквозь щели. Это происходит за счет того, что в отсутствие напряжения линзы Френеля отсутствуют и сквозь щели выходной маски проходит небольшая часть света (паразитная фоновая засветка), соответствующая площади щели. Эта неуправляемая часть света принимается за нулевой, исходный уровень. После подачи напряжения и формирования линзы в слое ЖК через эту же щель начинает проходить свет с одной из первичных длин волн с максимальной интенсивностью, т. е. происходит модуляция света. Поскольку модуляция осуществляется без использования поляроидов, которые в лучшем случае поглощали бы как минимум 50% света (одну поляризацию), то светосила элемента увеличится на эти 50%. Simultaneously with the selection, the intensity of the light passing through the slits is also modulated. This is due to the fact that in the absence of voltage, Fresnel lenses are absent and a small part of the light passes through the slits of the output mask (spurious background illumination) corresponding to the area of the slit. This uncontrollable part of the world is taken as the zero, initial level. After applying voltage and forming a lens in the LC layer, light from one of the primary wavelengths with maximum intensity begins to pass through the same slit, i.e., light is modulated. Since the modulation is carried out without the use of polaroids, which at best would absorb at least 50% of the light (one polarization), the luminosity of the element will increase by these 50%.

В варианте по п.2 в элементе установлена контрастирующая маска с непрозрачными участками, поглощающая долю света, проходящую сквозь щели выходной маски в отсутствие сформированной линзы Френеля, и повышающая контраст. In the embodiment according to claim 2, a contrasting mask with opaque portions is installed in the element, which absorbs a fraction of the light passing through the slits of the output mask in the absence of a formed Fresnel lens, and increases the contrast.

Поскольку в элементе отсутствуют полимерные светофильтры, то нет проблем химического их взаимодействия с ЖК, следовательно долговечность элемента больше. Since there are no polymer filters in the element, there is no problem of their chemical interaction with the LC, therefore, the durability of the element is greater.

Сущность настоящего решения поясняется на чертежах, где на фиг.1 приведена конструкция одного элемента дисплея (пикселя), а на фиг.2 приведен ход лучей в одной из линз (светофильтре триады). The essence of the present solution is illustrated in the drawings, in which Fig. 1 shows the design of one display element (pixel), and Fig. 2 shows the path of rays in one of the lenses (triad light filter).

Элемент жидкокристаллического дисплея состоит из слоя ЖК 1 с любым поляризационным электрооптическим эффектом. ЖК заключен между двумя подложками 2 и 3 с прозрачными электродами сплошным 4 и разделенным на три участка (триады) с группами полосок 5. Элемент снабжен выходной маской 6 со щелями 7, расположенной на расстоянии f от слоя ЖК. Это расстояние может быть задано, например толщиной подложки 3. The liquid crystal display element consists of an LCD layer 1 with any polarizing electro-optical effect. The LCD is enclosed between two substrates 2 and 3 with transparent electrodes solid 4 and divided into three sections (triads) with groups of strips 5. The element is equipped with an output mask 6 with slots 7 located at a distance f from the LCD layer. This distance can be set, for example, by the thickness of the substrate 3.

В варианте по п.2 в элемент введена контрастирующая маска 8 с непрозрачными участками 9, расположенными напротив щелей выходной маски. In the embodiment according to claim 2, a contrasting mask 8 is introduced into the element with opaque portions 9 located opposite the slots of the output mask.

В исходном состоянии (управляющие напряжения не включены) свет внешнего источника 10 проходит сквозь подложки и слой ЖК и основная его часть поглощается выходной маской 6. Небольшая его доля проходит сквозь щели выходной маски и поступает на выход, создавая паразитную фоновую подсветку или (по п. 2) поглощается непрозрачными участками 9 контрастирующей маски 8, повышая контраст изображения. In the initial state (control voltages are not included), the light of the external source 10 passes through the substrates and the LC layer and its main part is absorbed by the output mask 6. A small fraction passes through the slits of the output mask and enters the output, creating a stray background illumination or (according to 2) is absorbed by the opaque sections 9 of the contrasting mask 8, increasing the contrast of the image.

Известно, что система концентрических прозрачных и непрозрачных колец действует на проходящий сквозь нее свет как положительная линза (линза Френеля) при условии, что радиусы их выбраны из следующего отношения:
R_k = (2kλf)^1/2,
здесь f - фокусное расстояние линзы, k - номер радиуса кольца, R - радиус кольца, λ - длина волны света.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:
R _k = (2kλf) ^1/2 ,
here f is the focal length of the lens, k is the number of the radius of the ring, R is the radius of the ring, λ is the wavelength of light.

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

Если используется система прозрачных и непрозрачных полосок, расстояния между которыми подчиняются этому соотношению, то она действует как цилиндрическая линза. Группы полосок на каждом из трех участков электрода 5 сформированы с использованием приведенного выше отношения. If a system of transparent and opaque strips is used, the distances between which obey this ratio, then it acts like a cylindrical lens. Groups of strips in each of the three sections of electrode 5 are formed using the above relationship.

Если в линзе Френеля чередуются прозрачные и непрозрачные полосы, то такая линза называется амплитудной, и она может собрать в фокусе незначительное количество световой энергии. Если же чередуются 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 in focus. If 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 a single wavelength in focus.

Принцип селекции цветов поясняется на фиг.2, где приведен ход лучей в круглой амплитудной линзе Френеля. При заданном наборе радиусов колец белый свет после прохождения линзы начнет фокусироваться, причем световая энергия каждой длины волны собирается в отдельном фокусе. Если в точке фокуса, например, для зеленой длины волны разместить узкую щель, то сквозь выходную маску пройдет только зеленый цвет, тогда как остальные поглотятся непрозрачной маской. The principle of color selection is illustrated in figure 2, which shows the path of the rays in a round amplitude Fresnel lens. For a given set of ring radii, the white light will begin to focus after passing through the lens, and the light energy of each wavelength is collected in a separate focus. If a narrow gap is placed at the focal point, for example, for the green wavelength, then only the green color will pass through the output mask, while the rest will be absorbed by the opaque mask.

Аналогично можно выделить любой другой цвет. Спектральная ширина цвета и интенсивность на выходе маски определяется шириной щели. Более узкая щель дает более чистые цвета, но с меньшей интенсивностью. Similarly, you can highlight any other color. The spectral width of the color and the intensity at the output of the mask is determined by the width of the slit. A narrower gap gives cleaner colors, but with less intensity.

Для получения трех первичных цветов (триады светофильтров) необходимо иметь три линзы Френеля, причем каждая из них должна иметь собственный набор фокусов для трех первичных цветов. Должно быть соблюдено условие: фокусное расстояние одной линзы для синего цвета должно равняться фокусному расстоянию другой линзы для красного цвета и равняться фокусному расстоянию третьей линзы для зеленого цвета (на фиг.1 это расстояние обозначено f). На одном из трех участков электрода 5 группы полосок сформированы так, чтобы фокусное расстояние возникшей при подаче напряжения линзы для зеленого цвета равнялось f, на втором - для красного, на третьем - для синего. To obtain three primary colors (a triad of light filters), you must have three Fresnel lenses, each of which must have its own set of tricks for the three primary colors. The condition must be met: the focal length of one lens for blue should be equal to the focal length of another lens for red and equal to the focal length of the third lens for green (in figure 1 this distance is denoted by f). On one of the three sections of the electrode 5 groups of strips are formed so that the focal length of the lens that appeared when voltage was applied is equal to f for green, on the second - for red, on the third - for blue.

При подаче управляющего напряжения к одной из групп полосок электрода 5 в слое ЖК возникает система чередующихся полосок с ЖК с исходной ориентацией и ЖК с нарушенной ориентацией. Эта система действует как фазовая линза Френеля, концентрируя световую энергию разных длин волн в разных фокусах. When a control voltage is applied to one of the groups of strips of the electrode 5 in the LC layer, a system of alternating strips with an LC with an initial orientation and an LC with a defective orientation appears. This system acts as a Fresnel phase lens, concentrating light energy of different wavelengths at different foci.

Поскольку напротив фокусов линз в выходной маске 6 предусмотрены щели 7, то на выходе маски будет наблюдаться свет одной из первичных длин волн, или двух или трех, если напряжение приложено к двум или трем группам полосок. Интенсивность каждой из первичной длин волн зависит от величины управляющего напряжения, т. к. эффективность фазовой линзы меняется по мере изменения показателя преломления переориентирующегося ЖК от 0 до максимально достижимой (при набеге разности фаз, равной π). Since slots 7 are provided in front of the focal points of the lenses in the output mask 6, the light of one of the primary wavelengths, or two or three, will be observed at the output of the mask if voltage is applied to two or three groups of strips. The intensity of each of the primary wavelengths depends on the magnitude of the control voltage, since the efficiency of the phase lens changes as the refractive index of the reoriented LC changes from 0 to the maximum achievable (with a phase difference incursion equal to π).

Таким образом, одновременно с селекцией по цвету происходит и модуляция интенсивности, причем это осуществляется без применения поляроидов. Thus, simultaneously with the selection by color, intensity modulation also occurs, and this is carried out without the use of polaroids.

Известно, что один поляроид поглощает как минимум 50% проходящего света, так что настоящий элемент имеет как минимум на 50% большую светосилу. В качестве рабочей среды может использоваться любой ЖК с поляризационным электрооптическим эффектом, способным обеспечить набег разности между соседними элементами линзы, равный Пи. Это могут быть ориентационные эффекты в исходно планарной, гомеотропной, твистовой или супертвистовой ориентациях, или ориентационные эффекты в сегнетоэлектрических ЖК. It is known that one polaroid absorbs at least 50% of the transmitted light, so that this element has at least 50% a higher aperture. As the working medium, any liquid crystal with a polarizing electro-optical effect can be used, which is capable of ensuring an offset of the difference between adjacent lens elements equal to Pi. These can be orientation effects in the initial planar, homeotropic, twist or super-twist orientations, or orientation effects in ferroelectric LCs.

Контраст изображений, которые могут быть созданы при использовании настоящего элемента, определяется отношением интенсивности света, проходящего сквозь щели выходной маски 6 при наличии сформированной линзы (при включенном напряжении), к интенсивности света в отсутствие управляющего напряжения (фоновая засветка). При узких щелях контраст достаточен для практического использования. The contrast of the images that can be created using this element is determined by the ratio of the light intensity passing through the slits of the output mask 6 in the presence of a formed lens (with the voltage turned on), to the light intensity in the absence of a control voltage (background illumination). With narrow slots, the contrast is sufficient for practical use.

В ряде применений требуется повышенный контраст. Для этих случаев по п.2 предусмотрена дополнительная контрастирующая маска 8 с непрозрачными участками 9, расположенными напротив щелей выходной маски 6. Непрозрачные участки контрастирующей маски поглощают лучи света, проходящего перпендикулярно маскам (прямые лучи фоновой подсветки) и пропускают только косые лучи, образованные линзой. В результате контраст изображений существенно повышается, но счет некоторого снижения яркости. In some applications, increased contrast is required. For these cases, according to claim 2, an additional contrasting mask 8 is provided with opaque sections 9 located opposite the slots of the output mask 6. The opaque sections of the contrasting mask absorb rays of light passing perpendicular to the masks (direct rays of the background illumination) and transmit only oblique rays formed by the lens. As a result, the contrast of images is significantly increased, but due to some decrease in brightness.

Таким образом, из приведенного выше видно, что элемент ЖК дисплея обеспечивает указанные технические результаты, т. к. обладает повышенной светосилой, стоимость его изготовления ниже, а долговечность больше. Thus, it can be seen from the above that the LCD display element provides the indicated technical results, since it has an increased aperture ratio, its manufacturing cost is lower, and the durability is longer.

Источники информации
1. Патент РСТ(WO) 85/04962, МКИ₆ G 02 F 1/133, опублик. 19.04.85 г.Sources of information
1. Patent PCT (WO) 85/04962, MKI ₆ G 02 F 1/133, published. 04/19/85

2. Патент Швейцарии RAN 4701/139-00, МКИ₆ G 02 F 1/133, опублик. 14.02.95 г.2. Swiss patent RAN 4701 / 139-00, MKI ₆ G 02 F 1/133, published. 02/14/95

Claims

1. The element of the liquid crystal display containing a layer of liquid crystal (LCD), enclosed between two substrates with transparent electrodes, and the elements forming a triad of filters with primary wavelengths, characterized in that the output mask with slots is introduced, the elements forming a triad of filters are made in the form of Fresnel lenses formed from LCs with different orientations and groups of strips into which one of the electrodes is divided, the foci of the formed Fresnel lenses are chosen the same, but for three different wavelengths, the focus position owls combined with slits output masks.

2. The element according to claim 1, characterized in that a contrasting mask with opaque portions opposite the slots of the output mask is introduced therein.