NL8900089A

NL8900089A - Vloeibaar kristal weergeefinrichting.

Info

Publication number: NL8900089A
Application number: NL8900089A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1989-01-16
Filing date: 1989-01-16
Publication date: 1990-08-16
Also published as: JPH02234117A; EP0379241A1; KR900012118A

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Vloeibaar kristal weergeefinrichting.

De uitvinding betreft een vloeibaar kristal weergeefinrichting bevattende een eerste cel met tussen een eerste paar steunplaten voorzien van besturingselektroden voor het aanbieden van een gebied van bedrijfsspanningen over een tussen het eerste paar steunplaten aanwezige eerste laag vloeibaar kristal materiaal met positieve diëlektrische anisotropie en een zodanige wandoriëntatie en twisthoek van de vloeibaar kristal moleculen dat bij de laagste gebruiksspanning een dubbelbrekingseffect optreedt en bevattende een tweede cel met tussen een twee paar steunplaten voorzien van elektroden een tweede laag vloeibaar kristal materiaal met een twisthoek van de vloeibaar kristal moleculen tegengesteld aan die van de eerste laag vloeibaar kristal materiaal.

Dergelijke inrichtingen worden gebruikt in televisieschermen maar ook bijvoorbeeld in weergeefinrichtingen ten behoeve van datagrafische weergeefinrichtingen of bijvoorbeeld als lichtsluiters.

Een inrichting van de genoemde soort is beschreven in EP 0 246 842. Door een eerste polarisator gepolariseerd licht doorloopt daar de eerste laag vloeibaar kristal materiaal en wordt afhankelijk van de laagdikte, de diëlektrische anisotropie en de twisthoek in meer of mindere mate elliptisch gepolariseerd. In de tweede laag vloeibaar kristal materiaal (of een ander dubbelbrekend materiaal) met een polarisatiedraaiing in tegengestelde in wordt het effect van.de elliptische polarisatie weer geheel of gedeeltelijk gecompenseerd. Met behulp van een tweede polarisator met zijn polarisatierichting loodrecht op dié van de eerste treedt dan in de spanningsloze toestand volledige uitdoving op.

Omdat deze volledige uitdoving optreedt bij een spanningsloze toestand over de eerste laag vloeibaar kristal materiaal is een dergelijke inrichting niet zonder meer bruikbaar voor bepaalde soorten van aansturing waarbij een ekere spanning over de vloeibaar kristallaag als laagste aanstuurspanning wordt, gebruikt. Dit is bijvoorbeeld het geval bij matrix-weergeefinrichtingen met actieve aansturing waarbij een zekere drempelspanning als laagste aanstuurspanning wordt gekozen, bijvoorbeeld die spanning op de rand van het overgangsgebied in de spannings-transmissiecurve waar de transmissie minimaal is.

Ook bij passieve aansturing wordt als laagste aanstuurspanning vaak een waarde gekozen die bij of in het gebied van de spannings-transmissie-curve ligt, bijvoorbeeld een zodanige spanningswaarde dat de transmissie 5% of 2 t/2% van de maximale transmissie bedraagt.

In beide gevallen heeft het bijbehorende directorprofiel in de eerste vloeibaar kristallaag een patroon verschillend van dat bij de spanningsloze toestand. Bij overigens gelijke condities in de beide cellen (laagdikte, dubbele breking, tw.isthoek) wordt de elliptische polaristie van de eerste cel niet langer gecompenseerd door de dubbele breking van de tweede laag vloeibaar kristal materiaal, zodat bij de laagste aanstuurspanning een zekere resttransmissie optreedt hetgeen ten koste gaat van het contrast. Ook wordt de spannings-transmissie-curve minder steil, hetgeen in passieve weergeefinrichtingen het aantal te multiplexen lijnen vermindert.

De uitvinding tracht hierin te voorzien door de compensatie van de dubbele breking aan te passen.

Een weergeefinrichting volgens de uitvinding heeft hiertoe het kenmerk, dat door middel van de elektroden over de tweede laag vloeibaar kristal materiaal een instelspanning is aangebracht die in de tweede laag vloeibaar kristal materiaal een dubbelbrekingseffect introduceert tegengesteld aan en in grootte praktisch gelijk aan dat in de eerste laag vloeibaar kristal materiaal behorend bij de laagste bedrijfsspanning.

Het directorprofiel in de tweede vloeibaar kristalcel is nu zodanig gewijzigd dat de effecten van dubbele breking in de beide cellen bij de gekozen instelspanning elkaar praktisch opheffen.

Hierbij wordt opgemerkt dat in EP 0 246 842 de mogelijkheid om elektroden in de tweede cel aan te brengen weliswaar genoemd wordt, maar uitsluitend om kleurveranderingen tengevolge van temperatuurveranderingen tegen te gaan.

De instelspanning is bij voorkeur praktisch gelijk aan die spanning waarvoor de transmissie van de eerste cel minimaal is. Deze kan doorgaans zo ingesteld worden dat zij praktisch op de rand van de overgangskarakteristiek van de spannings-transmissie-curve ligt.

In andere gevallen, bijvoorbeeld bij passieve aansturing, wordt als laagste aanstuurspanning in de eerste cel een spanning V0^£ gekozen waarbij de transmissie bijvoorbeeld 5% (of 2,5%) van de maximale transmissie bedraagt. In dat geval wordt bij voorkeur voor de instelspanning over de tweede cel ook VQ££ gekozen (bij overigens gelijke condities). Deze spanning VQff kan variëren met het aantal te multiplexen lijnen.

Hoewel in het voorgaande steeds uitgegaan is van lagen vloeibaar kristal materiaal met gelijke dikte d, dubbele breking Δη en twisthoek φ, kunnen deze voor de beide cellen verschillend zijn. Hierbij hoeft zelfs niet altijd de optische weglengte d-Δη voor de beide cellen identiek te zijn maar kan het met name voor passieve weergeefinrichtingen voordelig zijn &2^n2 van twee^e cel kleiner te kiezen dan ά^Δη^ van de eerste cel. In dat geval verandert zonodig de instelspanning.

Ook kunnen de beide cellen een gemeenschappelijke steunplaat bezitten.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden en de tekening, waarin

Figuur 1 schematisch in dwarsdoorsnede een inrichting volgens de uitvinding toont,

Figuur 2 schematisch de transmissie toont van een enkele vloeibaar kristallaag tussen gekruiste polarisatoren als functie van de optische weglengte, terwijl

Figuur 3 een bijbehorende transmissie-spanningskarakteristieken toont en de Figuren 4 en 5 verschillende transmissie-spanningskarakteristieken tonen voor een inrichting volgens figuur 1 bij verschillende waarden van de compensatiespanning over de tweede cel.

De weergeefinrichting 1 van figuur 1 bevat een eerste weergeefcel 10 met. tussen twee doorzichtige steunplaten 2, 3 een laag 11 van vloeibaar kristal materiaal met positieve diëlektrische anisotrop.ie. Op de steunplaten 2, 3 bevinden zich aan de zijde van het vloeibaar kristal materiaal elektroden 12, 13 die bijvoorbeeld een matrix van beeldelementen definiëren. De beeldelementen kunnen eventueel via schakelelementen en besturingselektroden worden aangestuurd (actieve aansturing); ook kunnen de beeldelementen worden bepaald door elkaar overlappende gedeelten van baanvormige elektroden en dan direct van selectiesignalen en datasignalen worden voorzien (passieve aansturing). Deze aanstuurspanningen worden bijvoorbeeld verkregen met behulp van een besturingsschakeling 7, die binnenkomende informatie (TV-signalen, informatie over datagrafische symbolen etc.) omzet in de genoemde aanstuurspanningen die via aansluitlijnen 15 aan de elektroden 12, 13 worden toegevoerd. Op de elektroden 12', 13 bevinden zich lagen 14 van isolerend materiaal die, in dit voorbeeld, tevens dienst doen als oriënterende laag. De lagen 14 geven de vloeibaar kristal moleculen van een cholesterisch materiaal een hoekverdraaiing (Pi (bijvoorbeeld 270°) bij een spanning van 0 Volt over de elektroden 12, 13.

De inrichting bevat verder een tweede cel 20 met tussen twee doorzichtige steunplaten 3, 4 een tweede laag vloeibaar kristal materiaal 21 dat eveneens een positieve diêlektrische anisotropie bezit. De steunplaat 3 is hierbij gemeenschappelijk gekozen voor de beide cellen 10, 20. Op de steunplaten 3, 4 bevinden zich elektroden 22, 23 die in dit voorbeeld praktisch het gehele oppervlak van de steunplaten beslaan. De elektroden 22, 23 zijn via aansluitlijnen 25 verbonden met een spanningsbron 9. Op de elektroden 22, 23 bevinden zich weer lagen 24 ten behoeve van zowel isolatie als oriëntatie. Het vloeibaar kristal materiaal 21 en de oriënterende werking van de lagen 24 zijn zodanig gekozen dat de vloeibaar kristal moleculen bij spanning 0 Volt over de elektroden een hoekverdraaiing krijgen, praktisch gelijk en tegengesteld aan (q>2= “<£-[) De cellen 10 en 20 bevinden zich tussen polarisatoren 5 en 6.

Een van de eigenschappen van een laag dubhelbrekend kristal materiaal is het dubbelbrekend vermogen. Een invallende lichtstraal wordt gesplitst in een gewone straal die zich door het medium voortplant met een snelheid c/n0 en een buitengewone lichtstraal die zich voortplant met sneldheid c/ne. Het verschil Δη = (Ne-n0) en de dikte d van de laag vloeibaar kristal materiaal d bepalen samen het optische weglengteverschil dAn. Afhankelijk van de golflengte λ en dit product ά.Δη bezitten de gewone en buitengewone lichtstraal na doorlopen van de laag vloeibaar kristal materiaal een zeker faseverschil. Dit kan gedetecteerd worden door de laag vloeibaar kristal materiaal tussen twee gekruiste of parallelle polarisatoren te beschouwen.

In figuur 2 wordt getoond hoe bij parallelle polarisatoren voor een bepaalde golflengte de transmissie als functie van dAn verloopt. De richting van de directors van het vloeibaar kristal materiaal is hierbij aan de zijde van het invallend licht evenwijdig gekozen aan de polarisatorierichting van het invallend licht. Bij dAn = 0 is er geen faseverschil zodat alle licht wordt doorgelaten. Bij toenemende dAn neemt het faseverschil toe en dientengevolge de transmissie af totdat deze geheel nul wordt om vervolgens weer toe te nemen.

In de praktijk is een vloeibaar kristal weergeefcel van een laag vloeibaar kristal materiaal voorzien waarvan de dAn-waarde niet samenvalt met één van de minima (bijvoorbeeld het eerste) in de kromme van figuur 2. Met name bij televisietoepassingen kiest men de dAn-waarde iets hoger, bijvoorbeeld in het punt 30 in figuur 2. Dit houdt echter in dat een geringe transmissie optreedt (tussen parallelle polarisatoren) bij spanning 0 Volt (zie figuur 3). Bij toenemende spanning over de laag vloeibaar kristal materiaal gaan de moleculen zich richten volgens het aangelegde veld, waardoor dAn iets afneemt en bij de spanning Vt}l (figuur 3) bereikt dAn de waarde nul (punt 31 in figuur 2). Als de spanning verder toeneemt, neemt d.An snel af en doorloopt de weergeefcel het overgangsgebied in zijn transmissie-spanningskarakteristiek.

Eenzelfde spannings-transmissie-karakteristiek van figuur 3 is in figuur 4 voor wit licht weergegeven als curve 32. De beide andere curven stellen de transmissie-spanningskarakteristieken voor van de inrichting volgens figuur I, waarbij V de spanning over de elektroden 22, 23 is en T de transmissie van de totale inrichting 1.

In de meeste toepassingen wordt de weergeefcel 10 vanaf een zekere minimale spanning aangestuurd. Zo kiest men voor televisietoepassingen bijvoorbeeld een gebied tussen de spanning Vth (figuur 3) en een bepaalde maximale spanning Vsat. Voor beeldelementen van de weergeefcel 10 is bij de minimale spanning de optische weglengte d^An^ dan niet langer gelijk aan de optische weglengte <^02 voor de weergeefcel 2Ö in spanningsloze toestand (bij gelijke dikte van het materiaal en Δη-j = Δη2, of zodanige keuze van materiaal en dikte dat d^An^j = d2An2). De dubbele breking geïntroduceerd in weergeefcel 10 wordt nu niet langer in weergeefcel 20 gecompenseerd zodat bij vth transmissie optreedt. Curve 34 geeft deze situatie weer. De elektroden 22, 23 van weergeefcel 20 zijn in dit geval niet van een spanning voorzien.

Als de tweede weergeefcel 20 met behulp van de spanningsbron 9 van een instelspanning Vj3^as wordt voorzien ter grootte van circa VfcIl is het dubbele brekingseffeet in de weergeefcellen 10, 20 praktisch gelijk maar tegengesteld (d^An^ = d2hn2, Φ-j = -φ2) en treedt bij deze spanning volledige uitdoving op voor alle golflengten (curve 33 in figuur 4). De instelspanning blijkt het overige verloop van de transmissie-spanningskarakteristiek nauwelijks te beïnvloeden ten opzichte van die voor een enkele weergeefcel. Bovendien blijkt dat bij kleurentoepassing de k]eurcoördinaten van tussenliggende toestanden beter instelbaar zijn.

Tevens blijkt uit figuur 4 dat de spannings-transmissiekarakteristiek voor een weergeefinrichting volgens de uitvinding (curve 33) een steiler verloop heeft dan die voor een soortgelijke inrichting, waarbij de weergeefcel 20 niet. een zekere instelspanning bezit. Dit betekent dat de multiplexgraad voor een dergelijke inrichting hoger is of omgekeerd bij een zekere multiplexgraad het contrast groter is dan zonder toepassing van een instelspanning. De instelspanning hoeft hierbij niet noodzakelijk gelijk te zijn aan maar hangt mede af van de gekozen waarden van de aanspanning VQn en de uitspanning voff behorend bij een zekere transmissie, en de waarden dAn van de cellen 10, 20.

Dit wordt geïllustreerd aan de hand van de in de onderstaande resultaten, voor een weergeefinrichting met φ-j = 180° en d| = d2 = 6 pm en het vloeibaar kristal materiaal ZLI 2293.

In figuur 5 worden de transmissie-spanningskarakteristieken getoond voor verschillende waarden van de instelspanning (V^g) over de cel 20. Voor voff wordt die spanningswaarde gekozen waarbij de transmissie 5%, respectievelijk 2,5%, van de maximale transmissie bedraagt. Bij een multiplexverhouding van 200 behoort hierbij volgens

(Alt en Pleshko) een waarde VQn = 1,073 Met behulp van de curven uit figuur 5 wordt dan het contrast bepaald als

voff W T = 5% van Tmax vinstel <vbias> cel 20 voff ™ · c°ntrast V = 0 V 1,82 8,4 V = 1,80 V 1,87 9,1 V = 1,85 V 1,90 9,2 V = 1,89 V 1,94 9,0 voff T = 2,5% van Tfflax vinste] (vbiaS) cel 20 voff^ Contrast V = 0 V 1,80 14,2 V = 1,80 V 1,85 17,0 V = 1,85 V 1,88 17,2 V = 1,89 V 1,92 17,2

Uiteraard is de uitvinding niet beperkt tot de hier genoemde voorbeelden maar zijn binnen het kader van de uitvinding voor de vakman diverse variaties mogelijk. Zo zijn voor de hoek φ andere waarden mogelijk dan 180° en 270°, bijvoorbeeld 90° en 360° of tussenliggende waarden. Ook hoeft niet altijd exact gelijk te zijn aan maar kan een eventuele afwijking grotendeels worden ondervangen door een andere stand van de polarisatoren of variaties in d^An^ en d2An2· Ook bij gelijke hoeken , ¢2 hoeven en <Ϊ2Δη2 n*et praktisch gelijk te zijn, maar kan het kiezen van een waarde d^An^ > d2An£ leiden tot een verbetering van het contrast. Daarnaast kunnen de elektroden 22, 23 opgedeeld zijn in deelstukken, bijvoorbeeld als men aan een deel van de weergeefinrichting geheel andere eisen stelt (bijvoorbeeld ten aanzien van kleur, contrast of multiplexverhouding) dan aan het overige deel.

Hoewel in het bovenstaande steeds sprake is geweest van een inrichting die in dóórzicht bedreven werd, is de uitvinding ook toepasbaar op een reflectieve weergeefinrichting. In dat geval bevindt de tweede cel 20 (compensatiecel) zich aan de kijkzijde en wordt de polarisator 6 bijvoorbeeld vervangen door een gecombineerde reflector/polarisator, met een polarisatierichting evenwijdig aan die van de polarisator 5.

Claims

1. Vloeibaar kristal weergeefinrichting bevattende een eerste cel met tussen een eerste paar steunplaten voorzien van besturingselektroden voor het aanbieden van een gebied van bedrijfsspanningen over een tussen het eerste paar steunplaten aanwezige eerste laag vloeibaar kristal materiaal met positieve diëlektrische anisotropie en een zodanige wandoriëntatie en twisthoek van de vloeibaar kristal moleculen dat bij de laagste gebruiksspanning een dubbelbrekingseffect optreedt en bevattende een tweede cel met tussen een tweede paar steunplaten voorzien van elektroden een tweede laag vloeibaar kristal materiaal met een twisthoek tegengesteld aan die van de eerste laag vloeibaar kristal materiaal, met het kenmerk, dat door middel van de elektroden over de tweede laag vloeibaar kristal materiaal een instelspanning is aangebracht die in de tweede laag vloeibaar kristal materiaal een dubbelbrekingseffect introduceert tegengesteld aan en in grootte praktisch gelijk aan dat in de eerste laag vloeibaar kristal materiaal behorend bij de laagste bedrijfsspanning.

2. Weergeefinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat als instelspanning die spanning wordt gekozen waarvoor de transmissie van de totale inrichting praktisch minimaal is.

3. Weergeefinrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de dikte d zowel als het dubbelbrekingsversch.il Δη voor de beide cellen praktisch identiek zijn.

4. Weergeefinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de eerste cel met actieve aansturing wordt bedreven en de instelspanning gelijk is aan de minimale stuurspanning die ten behoeve van de actieve aansturing over de eerste laag vloeibaar kristal materiaal wordt aangebracht.

5. Weergeefinrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat deze voorzien is van onderling loodrechte polarisatoren.

6. Weergeefinrichting volgens één der conclusies 1 tot en met 4 voor reflectieve toepassingen, met het kenmerk, dat de inrichting voorzien is van een polarisator en een polarisator-reflector met onderling evenwijdige polarisatierichtingen, waarbij de tweede cel zich aan de kijkzijde bevindt.

7. Weergeefinrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat de optische weglengte d2é^ van de tweede cel ten hoogste gelijk is aan de optische weglengte d-jAn^ van de eerste cel.

8. Weergeefinrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat de beide cellen een gemeenschappelijk substraat bezitten.