RU2196350C2

RU2196350C2 - Element of liquid-crystal display

Info

Publication number: RU2196350C2
Application number: RU98121191/28A
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 has layer of liquid crystal positioned between two substrates with clear electrodes and triad of light filters realizing color selection on three primary lengths of waves R, G , B. Color selection is carried out with the help of three phase Fresnel lenses made of photopolymer. Each lens focuses light of one wave length in slit of output mask. Liquid crystal is utilized to modulate light intensity of each of three lengths of waves. EFFECT: enlarged relative aperture, prolonged service life of element. 2 dwg

Description

Изобретение относится к индикаторной технике, в частности к цветным жидкокристаллическим дисплеям, в которых селекция цветов производится разнесенными по 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 is carried out along the plane with light 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, 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-эеленый, В-синий [1]. Светофильтры триады выполнены из полимера и в каждый из них внедрен краситель 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 the LCD display containing 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 and a dye of one of the primary colors is embedded in each of them. 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 процессы обычно 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: transparent electrodes and orienting coatings must be applied to the usually low-melting polymer, and these processes are usually high-temperature. 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, в котором 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. The closest in technical essence to the present invention is an LCD display element, similar in design, in which strips of photopolymer are used for color selection, which can change the birefringence when illuminated with UV radiation. In each of the strips of the triad of 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.

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 прозрачными электродами на внутренних сторонах, триаду светофильтров, пропускающих первичные длины волн и выполненные из полимера, и поляроиды. В элементе установлена непрозрачная выходная маска с отверстиями. Каждый из светофильтров триады выполнен в виде линзы Френеля. 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. Выходная маска и светофильтры расположены на внешней стороне одной из подложек и таким образом, чтобы фокусы линз приходились на отверстия в маске. Каждая из линз триады фокусирует свет одной из первичных длин волн на соответствующее отверстие в выходной маске, так что сквозь отверстие к слою ЖК проходит свет только одной из первичных длин волн, тогда как свет других длин волн поглощается выходной маской, т.е. производится селекция цветов без применения красителей или двулучепреломляющих материалов, в той или иной степени поглощающих свет. Благодаря такому способу селекции светосила элемента увеличивается, а поскольку триада полимерных светофильтров расположена с наружной стороны подложек и вне контакта с ЖК, то технология изготовления существенно упрощается и стоимость изготовления снижается. Отсутствие контакта ЖК и полимерного светофильтра исключает возможность деградации ЖК, т.е. увеличивает долговечность. The specified technical result is achieved by creating an element of a liquid crystal display containing an LC layer, enclosed between two substrates with transparent electrodes on the inner sides, a triad of filters that transmit primary wavelengths and are made of polymer, and polaroids. An opaque exit mask with holes is installed in the element. Each of the filters of the triad is made in the form of a Fresnel lens. 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 output mask and filters are located on the outer side of one of the substrates and so that the foci of the lenses fall on the holes in the mask. Each of the lenses of the triad focuses the light of one of the primary wavelengths on the corresponding hole in the output mask, so that only one of the primary wavelengths passes through the hole to the LC layer, while the light of the other wavelengths is absorbed by the output mask, i.e. colors are selected without the use of dyes or birefringent materials that absorb light to one degree or another. Thanks to this method of selection, the aperture of the element increases, and since the triad of polymer filters is located on the outside of the substrates and out of contact with the LCD, the manufacturing technology is greatly simplified and the manufacturing cost is reduced. The absence of contact between the LCD and the polymer filter excludes the possibility of degradation of the LCD, i.e. increases durability.

Сущность настоящего решения поясняется на чертежах, где на фиг.1 приведена конструкция одного элемента изображения дисплея (пикселя), а на фиг.2 приведен ход лучей в одном из светофильтров триады. The essence of this solution is illustrated in the drawings, where Fig. 1 shows the design of one display image element (pixel), and Fig. 2 shows the path of rays in one of the filters of the triad.

Элемент жидкокристаллического дисплея состоит из слоя нематического ЖК 1 с твист- или супертвист-структурой или может быть использован ЖК с другим электрооптическим эффектом, например сегнетоэлектрический ЖК. Жидкий кристалл заключен между двумя подложками 2 и 3 с прозрачными электродами сплошным 4 и разделенным на три участка 5. На внешней стороне подложки 2 размещена непрозрачная выходная маска 6 со щелями 7. На расстоянии f от маски 6 расположены цилиндрические линзы Френеля 8, рельефные (с разной толщиной оптического материала по плоскости линзы) или однородные по толщине, но с вариациями показателя преломления по плоскости линзы полученные, например, за счет разной степени фотополимеризации отдельных участков линзы по определенному закону. Это расстояние может быть задано, например, прозрачной буферной прокладкой 9, либо сами линзы сформированы на поверхности полимера, а общая толщина полимера выбрана равной расстоянию f. The liquid crystal display element consists of a nematic LCD layer 1 with a twist or super-twist structure, or an LCD with another electro-optical effect, for example, a ferroelectric LCD, can be used. A liquid crystal is enclosed between two substrates 2 and 3 with transparent electrodes 4 solid and divided into three sections 5. On the outer side of the substrate 2 there is an opaque output mask 6 with slots 7. At a distance f from the mask 6 are cylindrical Fresnel lenses 8, relief (with different thickness of the optical material along the lens plane) or uniform in thickness, but with variations in the refractive index along the lens plane obtained, for example, due to the different degree of photopolymerization of individual lens sections according to a certain law. This distance can be set, for example, by a transparent buffer pad 9, or the lenses themselves are formed on the surface of the polymer, and the total polymer thickness is chosen equal to the distance f.

Принцип селекции цветов поясняется на фиг.2, где приведен ход лучей в круглой амплитудной линзе Френеля. The principle of color selection is illustrated in figure 2, which shows the path of the rays in a round amplitude Fresnel lens.

Известно, что система концентрических прозрачных и непрозрачных колец, радиусы которых подчиняются соотношению:
R_k = (2kλf)^1/2,
действует на проходящий сквозь нее свет как положительная линза при условии, что сегменты зачернены через один.It is known that a system of concentric transparent and opaque rings, the radii of which obey the ratio:
R _k = (2kλf) ^1/2 ,
acts on the light passing through it as a positive lens, provided that the segments are blackened through one.

Здесь f - фокусное расстояние линзы, k - номер радиуса кольца, R - радиус кольца, λ - длина волны света. Как видно из выражения, при заданном наборе радиусов-колец фокусные расстояния для разных длин волн разные, т.е. имеется набор фокусов. Если в фокус линзы, например, R - красного цвета поместить узкую диафрагму (отверстие или щель в непрозрачной выходной маске определенной ширины), то на выходе за маской будет наблюдаться только красный цвет, тогда как остальные будут поглощены маской. 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. 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. As can be seen from the expression, for a given set of ring radii, the focal lengths for different wavelengths are different, i.e. there is a set of tricks. If a narrow diaphragm is placed in the focus of a lens (for example, R - red) (a hole or a slit in an opaque output mask of a certain width), then only red color will be observed behind the mask, while the rest will be absorbed by the mask. 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). Если использовать не круглую, а цилиндрическую линзу Френеля, как в нашем случае, то роль радиусов будут играть расстояния краев полосок от центра. 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). If we use not a round, but a cylindrical Fresnel lens, as in our case, then the role of the radii will be played by the distance of the edges of the strips from the center.

Если сегменты линзы Френеля зачернены через один, такая линза называется амплитудной и она способна собрать в фокусе незначительную часть световой энергии. Если же сегменты через один будут иметь разные показатели преломления, причем такие, что набег разности фаз между соседними сегментами будет равен π, то такая фазовая линза может собрать в фокусе до 80% света одной длины волны. Именно такого типа линзы используются в настоящем элементе. If the segments of the Fresnel lens are blackened through one, such a lens is called amplitude and it is able to collect an insignificant part of the light energy in focus. If the segments through one have different refractive indices, such that the incursion of the phase difference between adjacent segments is π, then such a phase lens can collect up to 80% of the light of the same wavelength in focus. It is this type of lens that is used in this element.

После того как с помощью линз Френеля произведена селекция цветов и в каждую из щелей маски 6 проходит один из первичных цветов, модуляция их интенсивности происходит приложением напряжения к участкам ЖК под электродом 5. Поляроиды 10, 11 и переориентированный ЖК регулируют поток света через каждый из светофильтров триады, создавая полноцветное изображение. After the colors are selected using Fresnel lenses and one of the primary colors passes into each of the slits of the mask 6, their intensity is modulated by applying voltage to the LCD sections under the electrode 5. Polaroids 10, 11 and the reoriented LCD regulate the light flux through each of the filters triads, creating a full color image.

Таким образом, из приведенного выше видно, что элемент дисплея обеспечивает достижение указанных результатов. В светофильтре нет элементов, поглощающих свет, а значит светосила его повышена. Полимерные элементы расположены вне ЖК ячейки и не могут реагировать с ЖК материалом, поэтому изготовление такого элемента дисплея не представляет технологических сложностей и затраты малы. Пространственное разделение ЖК и полимерного светофильтра исключает возможность химической деградации ЖК и, следовательно, обеспечивается высокая долговечность элемента. Thus, from the above it can be seen that the display element ensures the achievement of these results. There are no elements in the light filter that absorb light, which means its luminosity is increased. Polymer elements are located outside the LCD cell and cannot react with the LCD material, so the manufacture of such a display element does not present technological difficulties and the costs are small. The spatial separation of the LCD and the polymer filter eliminates the possibility of chemical degradation of the LCD and, therefore, provides high durability of the element.

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

An element of a liquid crystal display containing a liquid crystal layer enclosed between two substrates with transparent electrodes, a triad of optical filters that transmit primary wavelengths and made of polymer, polaroids on the outside, characterized in that an output mask with slots is inserted into it, each of the filters of the triad made in the form of a Fresnel lens with the same focal lengths, but for different wavelengths in each of the filters, the output mask and filters are located on the outside of one of the substrates, Fresnel lenses are aligned with slits in the output mask.