液晶显示、开关或图象处理装置的制作方法

专利名称：液晶显示、开关或图象处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有包含铁电手征碟状(chiral smectic)液晶层的液晶盒的液晶显示，开关或图象处理装置。
特别地，液晶盒内具有一个以下称作Sc*层的双折射液晶层，其螺旋结构受电场作用的影响，使液晶的光学各向异性发生变化。
在“Advance in Liquid Crystal Research and Appplications，Oxford/Budapest，1980.page 469 et seq.”中对由电场导致晶体结构发生形变这一内容做了描述，电场导致晶体结构形变这一论题在文字上偶尔也被以DHF(代表变形的螺旋铁电体)标称。
本发明尤其涉及直观式显示器和投影型显示器，即一种具有液晶显示盒的显示器。
在EP-B-0 309 774中公开了一种基于液晶螺旋结构形变的液晶显示盒。披露于这份在先公开物中的也称为DHF盒的显示盒，有一对共同围出Sc*层的透明基片，每个透明基片有一个使Sc*层分子定向的表面结构，在液晶中产生电场的电极和一个偏振器。
面对Sc*层的表面结构对邻近的液晶分子有取向效应。用于DHF盒的液晶最好由不同化合物的混合物组成，并因而通过这样的事实来区分属于一个碟层的并基本上彼此平行排列的分子与碟面(smecticplane)不垂直，而与碟面的法向夹一碟倾角θ。Sc*层的手征性还导致液晶分子的轴一层接一层地旋转，从而形成螺距为p的螺旋状螺线。
在其余的状态中，即不施加电场的情况下，DHF盒显示出一定的光透射率。如果对电极施加电压，则在Sc*层中产生电场并导致分子的重新取向以及每个碟层的重新取向。由于施加电压，Sc*层的螺线发生形变，导致其光透射率发生变化。
DHF显示器所基于的电光效应对于本领域技术人员来说是公知的。其出发点是液晶结构中存在一个短螺距p。螺距p的选择使得光在螺线的旋转结构中有平均的分配，即有平均的折射率分布。因此，对于无畸变的螺线，可获得光轴平行于螺线轴的双折射层。如果在两基片的电极间施加电压，则有转矩作用在每个碟层上。这种转矩造成所述的螺线形变，以及在平行于与液晶层邻接的基片的平面上的光轴旋转。在实际中，随施加电压而变的光轴旋转可通过转换角(switching angle)α(U)确定。最大的转换角α(U＝Umax)是DHF盒的特征，对应于在电压状态为U＝0和U＝|Umax|之间光轴的旋转角度。
在已知的DHF盒中，假设产生灰度连续变化的黑/白显示。但是，如果确定象点的每个电极片被分成三个次电极并配置有红、绿和蓝颜色的适合的彩色波光片，则能以一种公知的方式生产彩色DHF显示器，其中的红、绿和蓝色彩色光点可通过电压源来控制其由暗到亮的转换。
时至今日，黑/白及彩色DHF显示器的商业化生产几乎还没有建立。这主要是因为在现有技术的基础上，所需的DHF盒必须要很方便地拥有一个厚度d大约为1.4至2.8μm的液晶层，而这又需要很昂贵的花费和复杂的工序。
本发明的目的在于提供一种具有DFH盒的显示或图象处理装置，其中的DHF盒中有一个厚度大于现有DHF盒中液晶层厚度的液晶层。
按照本发明，上述目的是通过具有权利要求1所述特征的液晶显示或图象处理装置实现的。
本发明目的实现尤其是在模型计算与实验的基础上进行的，这种计算与实验表明DHF显示器的折射率平均值可用双折射片的折射率来描述，使得当在DHF盒的电极上施加电压时，不仅光轴旋转，而且双折射率Δn也发生变化。
在知道DHF显示器的折射率平均值可通过双折射片折射率来描述的基础上，还发现特别是对于有大转换角α的DHF显示器，双折射率Δn在DHF盒的一个典型的电压范围内发生显著的变化。因此，本发明涉及对Δn的电压依赖性第二效果的利用，还有一个简化DHF盒生产的目的。
从从属权利要求的叙述中本发明的优选实施例变得显而易见。
以下参照附图，对本发明作更详尽的描述。


图1表示DHF盒Sc*相的示意图2表示图1中Sc*相的每个碟层的放大示意图；图3表示DHF盒的截面图；图4表示图3中DHF截面的简化透视图；图5表示转换角α与流向电极并受螺线形变影响的电量Q的关系曲线；图6表示Δn作为流向电极并受螺线形变影响的电量Q的函数的曲线；图7表示彩色DHF盒的象点示意图；图8表示反射型DHF显示盒的截面图；图9表示投影型显示器的工作原理图；图10表示“负对比度”DHF盒对红、绿和蓝色的透射率T与电压的函数曲线。
Sc*相的倾角θ对于DHF显示器的特性具有重要的意义。该角度可借助于图1和2来解释。因此，图1表示Sc*层的螺旋形液晶结构1，而Sc*层分别由上、下玻璃片2和3界定，液晶结构1的近晶层4垂直于玻璃片2和3，并如最初所提到的那样，彼此相对旋转。从图2中明显看到，层与层之间彼此平行分布的每一层4的分子5在x-y平面上相对于平面的法向6或相对平行于玻璃片2和3的螺旋轴7倾斜一θ角。y-z平面中的δ角也用以表现结构的整体特征。对于手征碟相，δ角不是常数而是逐层增加。因此，如果顺着平面法线6的x方向，则每一层4的分子5沿锥线移动，从而形成所述的螺线。
以公知的方式向液晶混合物中加入手征掺杂物，使得由此而减小的螺旋结构的螺距p小于可见光的波长，即大约小于500nm。光在此结构中平均分布。对于无形变的螺线，正如前所述，这导致一个其光轴平行于螺线轴7的双折射层。
在参考实施例对电光效应做出解释之前，先对欲安装进直观式显示器中的彩色DHF盒的总体结构做详细的描述，其中电光效应可由本发明的DHF盒产生，并且实际上是基于Δn和附加电压的依赖关系。以下详细叙述的第一实施例也是根据上面这种结构的液晶盒进行的。
图3和图4中由标号10表示的DHF盒有一个厚度为d的Sc*11，它设置在相互平行的两基片13和14之间，且包含透明材料，如玻璃或丙烯酸玻璃。因为此种DHF盒用于直观式显示器，所以液晶中被光覆盖的距离deff还等于层的厚度d。
最好与基片13连接的偏振器15设置在上基片13的外侧，如粘接在基片13上。起偏器16以相似的方式与下基片14连接。
在面向液晶层11的基片13和14的表面，有透明电极17和18，这些电极构成表示字符或象点的常规的电极段，此处，在DHF盒的区域中仅标示出了各个电极段元件。然后，电极17的上部区域被分成三个次电极17a、17b和17c，电极18的相对区域与各个次电极17a、17b和17c相一致地配置彩色滤光片19、20和21，如果需要，电极18也可分段。每个次电极17a、17b和17c还包括电子组件22、23和24，比如是薄膜晶体管或类似物。后者，即电子组件与电子驱动器25一起构成权利要求1前序部分中的电子控制装置，其中，与基色相应一致的次电极17a、17b和17c可被彼此独立地控制。
玻璃基片13和14朝向Sc*层的表面还经受这样的处理，使得它对邻近的液晶分子并即而对全部液晶层有一个取向作用，从而确定定向器的方向。这种处理包括，如用聚合物层涂覆和在一个方向上摩擦表面。其它的可能性有取向层的非垂直入射汽相淀积。这些层在图3中由26和27标识。这种处理结果以下也称做表面取向。两基片13和14的表面取向由箭头28表示，上基片13的表面取向平行于下基片14的表面取向。
附属于上基片13的偏振器15的布置方式是这样的，即它的偏振方向与上基片的表面取向夹β角，或与螺线轴夹β角。相反，附属于下基片14的起偏器16的布置使得其偏振方向相对于上偏振器15的偏振方向旋转90°。偏振器15和16的这种取向代表一个优选实施例。偏振器其他方式的布置也是完全可行，只要它们能达到好的效果。这些布置可经过简单的优化来确定。
已经说过，模型计算和实验表明DHF显示器的折射率平均值可由双折射片的折射率来描述，当对DHF盒的电极施加电压时，不仅光轴旋转，而且双折射率Δn也发生改变。
图5表示这种模型计算的结果，其中，转换角α是流入电极的、受螺线形变影响的电量部分Q的函数。图6表示双折射率Δn相对于Q的相关结果。可以看到，转换角α随Q线性增加。这尤其体现在倾角θ小于30°情形中。在这个倾角范围内，双折射率Δn对电量Q的依赖非常轻微。因此，对施加电压的依赖关系也很小。对于较大的倾角θ，两个情况发生变化即在较大的倾角θ时，转换角θ不与电量Q成线性关系变化，对于Q＝0即U＝0时，Δn很小。
根据方程(1)，穿过夹在彼此成直角的两偏振器之间的、用在直观式显示器中的双折射液晶层的光透射率T与跟角度有关的及与双折射率有关的两因子的乘积成正比。
T～sin2(2γ)·sin2(π·Δn·d/λ) (1)在方程(1)中，γ是光轴和两偏振方向之一的夹角，Δn是双折射率，d是液晶层的厚度，λ是光的波长。因此，透射率T依赖于双折射液晶层的光轴相对于偏振方向的方向以及双折射的率Δn。至此以下，“～”符号表示“正比于”。在DHF显示器中，γ和Δn均依赖于施加的电压U；因此，γ＝f1(U)，Δn＝f2(U)。由于色散，Δn更依赖于波长λ，为了实现下列对双折射的应用，Δn＝f2(U、λ)。
在直观式DHF显示器的光对称模式中，β＝0，即螺线轴7平行于偏振器的偏振方向。因为在DHF盒的其余状态中γ也等于0，所以根据方程(1)，对于U＝0透射率T也为零。对于|U|＞0，透射率T随sin2(2γ)因子增加，直至γ达最大值。γ的最大值总是小于倾角θ。因为在较高的电压下螺线旋转，即使对于较大的倾角35°，2γ才达到约60°。因此，透射率T主要受sin2(2γ)因子的影响。如图6所示，第二因子sin2(π·Δn·d/λ)在小倾角和小转换角时，对电压的依赖关系很弱，因此，可通过对液晶层厚度d的适当选择而达到最佳。对于已知设计的彩色DHF盒，Δn·d/λ可以很方便的设为Δn·d/λ≈0.5 (2)使得在最大电压和λ＝560nm的条件下进行运用。
因为在此种DHF盒的情形中，双折射率Δn·d的最大值是λ/2，所以这种DHF盒也被称作“λ/2”DHF盒。又因为Δn主要是在0.1～0.2之间，使得液晶层厚度d的最佳值必须在1.4至2.8μm之间。因此，液晶层的厚度d非常小。正如已经提到的那样，电极间隔如此之小，使得DHF显示器的制造非常困难，这尤其是针对电路的短路之危险和对环境清洁的要求之荷刻以及在生产DHF盒时对液晶层厚度d极窄的要求而言。
对于TN(扭曲向列)、SBE(超双折射效应)或OMI(光模干涉)型的液晶显示盒的生产，其操作趋于简单，要求液晶层的厚度仅为5-6μm。生产有厚度d为1.4-2.8μm的层的DHF显示器也需要一个有众多项技术合成的新颖的生产设备。因此，制造5μmDHF显示器的可能性是DHF技术走向商业化的重要一步。
本发明的DHF盒是基于图5和图6及方程(1)中的DHF性能。此种DHF盒的主要优点在于它的电极间隔要比目前知道的DHF盒的电极间隔宽。
按照本发明的DHF盒是一种“负对比度”盒，即相应的显示器在U＝0时为亮，在|U|＞0时为暗。这可通过选取β为45°来实现。这也意味着，在上述类型的DHF盒中，螺线轴与偏振器的偏振方向成45°角。在电压U＝0时，γ＝45°(一般地γ＝45°+α(U))，方程(1)的第一个因子等于1。本发明DHF盒的另一个特点由双折射率Δn与液晶中光的覆盖距离deff的关系体现。实际上，对于这种关系，下列条件也适用200nm＜Δb·deff＜350nm。
第一实施例是一个上述类型的DHF盒。而且deff＝d成立。
在此例中，对双折射率Δn和液晶层厚度d的选择使得Δn(U＝0，λ) d/λ＝0.5，其中，λ＝560nm。
与方程(2)相比，看起来非常相似，它是电压U＝0时的Δn·d/λ的表达式。
如图6所示，在大转换角(α＞30°)处，Δn的值比在施加最大电压时要小2至3倍。因此，以这种方式构造的DHF显示器可比现有的DHF显示器厚2或3倍，正如以上所述，这大大简化了DHF显示器的制作。重要的是，在上述液晶盒结构的选择中，方程(1)中的两个因子均随着电压|U|的增加而减小。因此，即使当转换角不是精确的±45°时，也可实现透射率T的很大的减小。
如果显示器是彩色DHF显示器，在目前的情况中，也进行下列的考虑。方程(1)中的因子对于三个基色一样。对三基色的最大透射率也在同一电压下达到，即DHF盒随电压U而变透过白、灰和黑色，无颜色显示。如上所述，这对大的倾角θ(θ＞35°)或大的转换角α(α＞30°)不再成立。方程(1)的因子sin2(2γ)在低电压时起主要作用，但在高电压时，电压对Δn的作用增强，使得第二因子sin2(π·Δn·d/λ)对确定透射率T起重要作用。但是，因为该第二因子与波长有关，对于不同的颜色，DHF显示器在不同的电压值下成为暗态。其结果是，对每个基色的驱动电压必须分别控制。
图7表示彩色DHF盒一个象点的结构示意图。封住液晶层的两基片由13和14表示。未标出的螺线轴与两个偏振器中的一个成45°角，两偏振器也未标出。用于代表一个象点的盒区域被分成三个彩色象素，对于红、绿、蓝三色，每个象素有次电极30、31和32。驱动电路，在本领域中也称为有源矩阵，根据本发明，它由三个彼此独立控制的电压源33、34和35构成。入射到DHF盒上的光线由箭头36表示。按照本发明，由电压源33、34和35产生的信号经过不同的电压值，Umax，red＞Umax，green＞Umax，blue。如果对相应的彩点也称为彩色象素同时呈现最大电压Umax，red、Umax，green和Umax，blue，则由三个彩色象素形成的象点应有最大的暗度并实际上为黑色。在Umax，red，green，blue的情形下，DHF显示器对相应颜色的螺距差刚好大约等于波长，因此，此种显示器也可称作“负对比度”λDHF显示器。
如果不用三个不同的驱动电压，则可以对于彩色象素选择不同的盒厚度d。例如，这可通过使用不同厚度的彩色滤光片来实现，在其中，选取蓝色滤光片最厚，红色滤光片最薄。
除了最重要的优点即较大的层厚度之外，“负对比度”λDHF显示器还有下列优点暗态对壁面的取向误差之敏感性低于上述暗态发生在α＝0时类型的
显示器的情况。在γ＝0时，螺线取向很小的波动会导致γ＜＞0区，即导致不理想的透射率并因而降低
显示器的对比度。相反，在“负对比度”λDHF显示器中，方程(1)的两因子都很小，对第一因子变化的敏感度大大降低，而第一因子主要受取向波动的影响。因此，较差取向的“负对比度”λDHF显示器也有高的对比度。因为光线状态对取向误差很不敏感，所以很少受盒参数影响的“负对比度”λDHF显示器的性能大大提高。
“负对比度”λDHF显示器的另一个优点在于DHF盒电驱动的方法。为了避免电荷在DHF盒上堆积以及在视频显示中产生有关的“幻影”，施于DHF盒上的电压的极性周期性地反转。这可以通过在实际的图象信号之前，施加一个具有下一个图象极性的大的重置脉冲来高效率地实现。“负对比度”λDHF显示器还有一个优点在于重置态为暗态。这使得可以使用相对较长的重置脉冲而不会有DHF显示器的对比度。
另外，对三基色的彩色象素使用相对渐变的驱动电压，实际上降低了DHF盒的能量损耗。这对于便携式电子器件，如摄象机、膝上电脑和微型电视非常有利。
本发明这种类型的DHF盒还可用在投影型显示器中。图8中所示的本发明第二实施例，即是一个可用于投影型显示器的DHF盒。图9是相应的现有显示器的工作模式。
DHF盒在图8中总体由101表示，如同以上所描述的DHF盒10，它有一个厚度为d的Sc*层111设置在相互平行的两玻璃片113和114之间。在玻璃片113和114朝向液晶层111的表面上有透明电极117和118形成常规的电极区，以显示字符或图象点。
如以上所述，在液晶层两侧的每一边上还设置有取向层119或120。从图8中可明知，对于这一特殊目的，DHF盒101上还可配置一个光吸收型光电导体121和介质镜122，如同已知的反射投影型显示器。
在工件状态下，DHF盒101装配成记录光130穿过玻璃基片113，读出光140穿过玻璃基片114的形式。在投影型显示器的工作中，图象160由透镜161投影到DHF盒101的光电导体121上并被之吸收。记录光130在光电导体121上产生一个电导率调制，该调制对应于图象信息。该电导率调制借助于与电极117和118连结的电压源，转换成液晶层之间的电压调制，液晶由此产生相应的形变。
与此同时，用于图象再现的读出光140被分束器162起偏并被介质镜122反射。由此方式反射的光再以调制偏振的形式入射到分束器162。此时的分束器162对反射的光束起一个检偏器的作用并仅反射其偏振方向垂直于入射光的光分量，即分束器起一个正交偏振棱镜的作用。被分束器162反射的光最终被包括有透镜163的光学系统投影到屏164上。
从以上的操作顺序可以明显看出，光源165产生的并经过透镜166和分束器162入射到DHF盒101上的光束两次穿过双折射液晶层111，如同在所有反射型显示器中一样，即作为读出光140和调制光150。因此，在液晶中光穿过的距离是液晶层厚度d的两倍，即2d。另外，在此装置中，光源165的强度可以大于记录光130，使得整个装置还用作一个光放大器。
在这一点上还应提出，以上根据本发明的DHF盒或显示装置仅代表从DHF盒和电光装置的多个可能的实施例中选择出的一种，本发明的DHF盒或DHF显示器可以不仅是直观式显示器或反射投影型显示器的形式，还可以是非常普通的反射式显示器或所谓的“头部安装(Headmounted)显示器”形式。
另外，不用三分区的电极，本发明类型的彩色DHF显示器也可以有单区电极片，在一个预定的时间间隔内交替地对红、绿和蓝光驱动。在这种情形中，象点由属于各个电极片的信号在该时间段内的平均产生。
最后，其它光学和电光装置也可配备本发明这类的DHF盒。如光学开关，例如可从“Applied Optics 27，1727(1988)，K.M.Johnson等”中可以了解到，或是图象或取样的识别装置。后者可从“Applied Optics5，1248(1966)，C.S.Weaver等”或“Optics Communications 76，97(1990)，D.A.Jarea等”得知，它可用作个人指纹与库存指纹的比较。
以下列出上述实施例的一些数据和信息。
适用于本发明目的的液晶混合物是来自Rolic AG，Basle的FLC10827。该种混合物的物理性质列于表I，化学成份列于表II。表I对FLC10827混合物测试的实际数据
表II测试混合物的化学成分
实验室研究用的试验盒上覆有透明的氧化铟锡电极，并设置有绝缘离子阻挡层和按平行方向摩擦的聚酰亚胺层。盒在100℃下利用毛细作用填充并通过施加电场(10V/μm方波，从10Hz变到1000Hz)慢慢冷却。后者可选择使用，但可提高对比度。第一实施例在此种DHF盒中，层厚度d的选择使得对三种颜色的光，在U＝0处实质上有相同的最大透射率。
图10是5.3μm厚的“负对比度”λDHF盒对红、绿、蓝三种颜色光的透射率/电压曲线。这些曲线的透射率值被标准谱线刻度。标准谱线是同种盒的、偏振器和螺线轴平行时记录的透射率。这些曲线最重要的特点在于在±19V达到对红色(630nm)的最小值，在±15V达到对绿色(550nm)的最小值，在±10V达到对蓝色(450nm)的最小值。
具有本发明类型的DHF盒的光学开关与已知的铁电开关相比，具有本发明类型的DHF盒的光学开关的优点在于开关可以仅通过改变对不同的波长施于盒的电压来重置。另外可以通过周期性的极性反转实现无需d.c.电压的操作。
图象和图案的识辨装置利用本发明DHF盒进行的图象和图案识辩实质上是根据JFT(联合付里叶变换)技术，其中有两个透镜用于付里叶变换。此处，两并列呈现的图象经过第一透镜的付里叶变换，这种变换通过本发明类型的DHF盒，如反射型SLM DHF盒成为可以目测(SLM代表空间光调制器)，由此得到的图象再经过第二透镜进行付里叶变换。这样就给出了两图象的互相干函数，如果两象是一致的，则变为一个亮点。与电子图象处理相比，此种光学JFT方法的一个重要优点在于其速度非常快。
权利要求
1.一种具有液晶盒的液晶显示、开关或图象处理装置，液晶盒包括一手征碟状双折射铁电液晶层，至少一个偏振器和在液晶层产生电场的电控装置，其中，液晶盒有一对封存液晶层的基片，每个基片具有一个对液晶层的分子取向的表面结构以及产生电场的电极，液晶盒和至少一个电极被分成表示象点的片区，顺序构建电控装置，在显示器的工作中对每个片区产生至少一个驱动电压，用于调制光的透射率，电压范围预先由U＝0和U＝|Umax|限定，和液晶层有一个依赖于施加电压的转换角α(U)，其最大值α(U＝| Umax|)，等于光轴在电压U＝0和U＝Umax状态之间的夹角。其特征在于，装置在工作中，转换角α(U＝|Umax|)至少为30°，液晶层布置成其螺线轴与一个偏振器的偏振方向夹45°角，在U＝0时，适用下列关系双折射率Δn和液晶中光穿过的距离deff满足200nm＜Δn·deff＜350nm关系。
2.如权利要求1所述的显示装置，具有从白光中产生红、绿、蓝光束的彩色滤光片，显示盒和至少一个电极被分成每个都有三基色红、绿、蓝三种彩色象素的片区，以表示彩色象点，每个电极片区包括三个次级电极，每个次级电极对应一种彩色象素，其中每个电极片区的每个次级电极与单独的电压为Ured、Ugreen、Ublue的电压源连接，对红、绿和蓝象素的电压范围有不同的量值，对基色红色的电压范围最大，对蓝色基色的电压范围最小。
3.如权利要求1或2所述的显示装置，其包括用于直观式的具有厚度为d的液晶层的显示盒，在工作状态时液晶层的厚度d为deff。
4.如权利要求3所述的显示装置，其特征在于液晶层厚度为2.8-6μm。
5.如权利要求1或2所述的显示装置，其包括用于反射型的具有厚度d的液晶层的显示盒，在工作状态时液晶层的厚度d为
全文摘要
DHF盒,尤其是彩色DHF显示盒的商业生产到目前为止还很难建立。这是因为基于现有技术的盒必须有一个厚度约为1.4至2.8μm的液晶层,这需要很高的花费及复杂的生产工序。在已知DHF显示器折射率的平均值可以用双折射片来描述的基础上,还发现双折射率△n在DHF盒尤其是有大转换角α的DHF盒的典型电压范围内显著地变化。因此,本发明涉及电压与△n依从关系这一第二效果的应用,具有从实际上简化DHF显示器生产的目的。
文档编号G02F1/133GK1188132SQ9710557
公开日1998年7月22日 申请日期1997年6月11日 优先权日1996年6月12日
发明者于尔格·方夫什林, 马丁·沙德 申请人:罗利克有限公司