Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

WO2012074429A1 - Активные жидкокристаллические стереоочки - Google Patents

Активные жидкокристаллические стереоочки Download PDF

Info

Publication number
WO2012074429A1
WO2012074429A1 PCT/RU2011/000147 RU2011000147W WO2012074429A1 WO 2012074429 A1 WO2012074429 A1 WO 2012074429A1 RU 2011000147 W RU2011000147 W RU 2011000147W WO 2012074429 A1 WO2012074429 A1 WO 2012074429A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid crystal
layer
ferroelectric
electronic driver
voltage
Prior art date
Application number
PCT/RU2011/000147
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Игорь Николаевич КОМПАНЕЦ
Александр Львович АНДРЕЕВ
Василий Александрович ЕЖОВ
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 US13/990,339 priority Critical patent/US20160124281A1/en
Publication of WO2012074429A1 publication Critical patent/WO2012074429A1/ru

Links

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

Definitions

  • the invention relates to the field of optoelectronics and display technology, and can be used in computer and television systems for two-dimensional and three-dimensional display of information both with a standard (60-160 Hz) frame rate, and with a high (several kilohertz) frame rate, for example, in universal stereo glasses, LCOS-type projection three-dimensional displays, as well as displays of mobile devices (phones, smartphones, communicators).
  • stereo glasses stereoscopic (ZD) displays using active stereo glasses (hereinafter referred to as stereo glasses) is the full resolution of the screen in the observed three-dimensional image in the absence of restrictions on the number of observers and their position relative to the screen, which is unattainable for almost all types of existing glasses-free (autostereoscopic) displays.
  • Each optical shutter of stereo glasses requires a sufficiently short reaction time ⁇ ⁇ to avoid crosstalk between alternating images of different angles of the 3D scene on the screen, and a sufficiently short relaxation time t ge1ax to avoid a stray gradient of brightness along the scan direction in each from the specified images.
  • ⁇ ⁇ reaction time
  • t ge1ax sufficiently short relaxation time
  • each of the indicated switching times of the optical shutter should not exceed 1-2 ms, since the standard time interval t between adjacent frames is about 1 ms (determined by the reverse time of the image scan in CRT).
  • optical shutters of stereo glasses and as elements of liquid crystal (LCD) screens use light-modulating cells based on nematic liquid crystals (NLC) (Nematic Liquid Crystals - NLC).
  • NLC nematic liquid crystals
  • Active liquid crystal stereo glasses [1] are known, containing a clock receiver, an autonomous power source, an electronic driver and two NLC shutters, the electrical inputs of the first and second of which are connected to the first and second outputs of the electronic driver, the input of which is connected to the output of the clock signal, and the autonomous source
  • the power supply is made in the form of a single power cell and a stabilized step-up voltage converter, while the output of a single power cell is connected to the input of a step-up a voltage converter, wherein the output of a single battery is the first output of an autonomous power source and is connected to the power output of the clock receiver, and the output of a stabilized voltage converter is the second output of an autonomous power source and is connected to the power output of an electronic driver, each of the LCD gates is made in the form sequentially optically coupled of the first linear polarizer, the first transparent dielectric plate, the NLC layer, the second a transparent dielectric plate and a second linear polarizer, on the inner sides of the first and second transparent dielectric plates
  • NLC ⁇ -structure is characterized by a reaction time of about 0.3 ms at a value of 20 V of alternating amplitude of the control voltage ( ⁇ 20 V) and relaxation time t1ax about 3 ms.
  • the control voltage decreases to ⁇ 12 V, and the time relaxation is about 2 ms while maintaining the same reaction time.
  • the r ret e relaxation does not depend on the magnitude of the control voltage (depends on the thickness d of the NLC layer).
  • the maximum natural frequency of switching stereo glasses is determined
  • geas1 amount of time t and time t of the reaction ge1ah relaxation, and amounts to no more than 300 Hz without the time necessary to scan observable stereoscopic image.
  • the frame rate of a stereo image when observed using known stereo glasses with NLC shutters does not exceed 120-160 Hz.
  • the frame frequency of the stereo image should be 2 times higher than the frame frequency of the monoscopic image. Since the standard frame rate of monoscopic displays has already reached 120 Hz, the standard frame rate of stereoscopic images should be at least 240 Hz from the point of view of the same playback quality of the dynamics of the ZD scene.
  • the steady trend in the development of stereoscopic display technology is to increase (up to 480 Hz or more) the real frame rate of images so that when observing ZD images using stereo glasses, it is completely eliminated as flicker of the observed image (to which peripheral vision is especially sensitive during prolonged observation) , and increase the smoothness of the playback of dynamic ZD scenes.
  • a disadvantage of the known stereo glasses when operating with a high (160-240 Hz and higher) switching frequency is the deterioration of the quality of the observed stereo image due to an excessively large time value ⁇ ⁇ .
  • a stray luminance gradient appears in the stereo image, since the condition t ge1ax ⁇ r jnt , necessary for its absence, is not fulfilled here.
  • the scan time of the frame is about 2 ms
  • Another drawback of the known stereo glasses is increased energy consumption, since when working from low-voltage (SV) batteries, a voltage converter (from 3 to 12-20 V) is required to provide the required level of control voltage at the gates, and the energy consumption is directly proportional to the square of the voltage.
  • SV low-voltage
  • a voltage converter from 3 to 12-20 V
  • the problem solved in the invention is to improve the quality of the stereo image observed with the help of stereo glasses, while reducing their energy consumption.
  • promising results have been achieved on the creation of high-speed shutters based on oriented layers of ferroelectric liquid crystals - FLC (in English, Ferroelectric Liquid Crystals - FLC) [5].
  • the problem is solved in active liquid crystal stereo glasses containing a clock receiver, an autonomous power supply, an electronic driver and two LCD shutters, the electrical inputs of the first and second of which are connected to the first and second outputs of the electronic driver, the input of which is connected to the output of the clock signal, and the output of the autonomous the power source is connected to the power terminals of the clock receiver and the electronic driver, with each of the LCD gates made in the form of a series of optically connected data of the first linear polarizer, the first transparent dielectric plate, the liquid crystal layer, the second transparent dielectric plate and the second linear polarizer, the first and second transparent electrodes are deposited on the inner sides of the first and second transparent dielectric plates, on top of which the first and second transparent orienting anisotropic coatings are applied, on top of at least one of which a transparent dielectric coating is applied, the liquid crystal layer is configured to electrically Ski induced changes its optical anisotropy, wherein said liquid crystal is formed ferroelectric pitch Po of the helix, the thickness d of
  • the temporal switching characteristics of known FLC layers are no less than an order of magnitude better [5], and the on and off times are equally small, since each of them is equal to the time r TM of the FLC layer reaction to the applied control voltage corresponding sign (polarity).
  • the known FLC layers are characterized by high values of the control voltage (at least 5-10 V), which is due to the need to spend significant energy of the control field on the helicoid spinning (spiral twist of FLC molecules) and the transfer of the FLC layer to a different energy state. It should correspond to the required change in the direction of polarization of light (initially specified by the direction of the axis of the first linear polarizer) passing through the FLC layer in order to obtain the required light intensity behind the second linear polarizer.
  • the FLC helicoid in the absence of an external electric field is deformed to compensate for the binding energy of the molecules of the boundary layers of the FLC with each of the adjacent surfaces of the dielectric coating or orienting anisotropic coating.
  • the FLC helicoid is partially unwound even in the absence of an external control field. This achieves a significant decrease in the energy of the external control field required to switch the FLC cell (when the control voltage is applied to the electrodes — the electrical inputs of the FLC gate) to the required optical state.
  • condition (1) which provides partial unwinding of the FLC helicoid in the absence of an electric field, the control voltage for the FLC shutter is significantly reduced without lowering the maximum shutter switching frequency.
  • the switching frequency is related to the time of the optical response to the control electric action, i.e. with the speed of reorientation of the director of SJK. This speed, in turn, depends on what type of viscosity — rotational or shear viscosity — prevails, and thus is responsible for energy dissipation [6].
  • the director reorientation rate is due to the usual (rotational) viscosity, and at higher frequencies, above the inverse time of the Maxwell liquid relaxation, the FLC begins to behave like an amorphous solid, i.e. deforms elastically.
  • shear viscosity is responsible for the speed of reorientation of the director of FFA, and he himself is reoriented due to the movement of domain walls.
  • An increase in the field strength leads to an increase in the velocity of domain walls and a significant decrease in the response time, i.e. improving the frequency properties of the FLC cell.
  • a specific technical result is an increase in the limiting switching frequency of the shutters to a value of about 8 kHz when the control alternating voltage is not more than 3 V and to a value of about 3 kHz when the value of the controlling voltage is not more than 1.5 V. Since the limiting switching frequency of the shutters actually determines the limiting switching frequency stereo glasses in general, then the task is solved when you receive the specified technical result, i.e. the quality of the observed stereo image is improved by completely eliminating flicker and improving the conditions for observing dynamic scenes by increasing the maximum switching frequency of stereo glasses and lowering their energy consumption by lowering the control voltage of the FLC shutters to values characteristic of low-voltage batteries (3-1.5 V ), for example, a lithium battery, an alkaline cell, a silver-zinc cell. At the same time, the absence of the need for a voltage converter in the electronic path of the stereo glasses further increases their energy efficiency, since the efficiency a step-up voltage converter in known stereo glasses does not exceed 75%.
  • a transparent dielectric coating is applied to the inner surface of only one of the dielectric plates.
  • the advantage of this particular embodiment of the device is an additional reduction in the control voltage by eliminating the energy barrier at one of the two dielectric – FFA boundaries present in the device and improving the conditions for the partial unwinding of the helicoid in the absence of an electric voltage applied to the cell.
  • the thickness of the FLC layer in the light transmitting cell is selected in the range of 1.3 - 1.8 ⁇ m, depending on the specific value of the optical anisotropy (birefringence) of the FLC.
  • Figure 1 block diagram of stereo glasses.
  • Figure 2 cross section of the FLC shutter stereo glasses.
  • FIG. 3 explanation of the structure of the FLC layer and the nature of the modulation of light in it.
  • FIG. 4 - forms of periodic control voltage ⁇ 1.5 V at a frequency of kHz (top) and optical response of the FLC shutter (bottom) displayed on the oscilloscope screen.
  • Active LCD stereo glasses contain (Fig. 1) a clock receiver 1, a low-voltage power element 2, an electronic driver 3, a left 4 and a right 5 ferroelectric liquid crystal (SLC) gates, the output of a low-voltage power source 2 is connected to the power terminal of the clock receiver 1 and the electronic power terminal driver 3, and each of the FLC gates 4,5 contains (FIG.
  • ⁇ ⁇ is the elastic modulus of deformation of the FLC helicoid in the azimuthal angle ⁇ ;
  • qo is the wave vector of deformation of the FLC helicoid
  • W Q is the binding energy of the molecules of a layer of a ferroelectric liquid crystal with the surface of a dielectric coating or an anisotropic coating adjacent to it.
  • the FLC layer (Fig. 3) is a layered spiral-twisted structure — a helicoid.
  • smectic layers 19 are located, due to the periodic ordering of the centers of mass of the molecules along the orientation direction of their long axes (director) with a period of the order of the length of the molecules.
  • Molecules have a dipole moment perpendicular to their long axes, and the FLC layer has a spontaneous polarization ⁇ .
  • the position of the director is determined by the polar angle in and the azimuthal angle ⁇ p, which varies from 0 to 2 ⁇ at a distance equal to the pitch of the helix po.
  • the reorientation of the director leads to a change in the angle between the plane of polarization of the incident light (light propagates along the X coordinate) and the main optical axis of the ellipsoid, which means modulation of the phase delay between ordinary and extraordinary rays, or modulation light intensity if the electro-optical cell is located between crossed polarizers.
  • ⁇ p ⁇ 0.17 For a large number of FLC compositions, ⁇ p ⁇ 0.17, and the optimal layer thickness, according to the optical properties of the corresponding half-wave plate for white light, is 1.4 ⁇ m.
  • the advantage of the second private embodiment of the device is to obtain achromatic modulation characteristics - uniform for the R-, G- and B-components of the image in the case of using stereo glasses to observe color stereo images.
  • the high switching speed of the FLC shutter at a low control voltage ( ⁇ 1.5 V at a frequency of 1 kHz) is illustrated in FIG. 4. It is seen that the transition time of the optical response does not exceed 100 ⁇ s.
  • the device operates as follows.
  • the synchronization signal (IR signal or radio signal, for example) is fed to the input of the receiver 1 of the clock signal, which amplifies it to the values of the logical signal supplied to the input of the electronic driver 3, which performs the recognition and processing of information contained in the clock signal (about the start time of each image frame realized on the display screen), and generates the control voltage of the FLC gates, providing the opening of the left 4 (right 5) of them in the process of scanning the image of the left (right) angle displayed ZD scenes on the display screen.
  • the viewer equipped with stereo glasses alternately observes the left and right images, the light flux of which falls into the left and right eyes, respectively, which, due to binocular properties of vision, leads to the perception by the observer of a three-dimensional (stereoscopic) image of a reproduced ZD scene.
  • the power of the receiver 1 of the clock signal and the electronic driver 3 is carried out directly from the low-voltage power element 2. Specifically, it is sufficient to use the pollutant of a lithium cell of the CR2032 type to obtain the maximum switching frequency of stereo glasses of several kilohertz.
  • the switching speed of stereo glasses (the rate of changing image angles on the screen) was selected high enough so that the flickering of the observed image is completely absent and the required degree of correctness (smoothness) of reproduction of dynamic scenes is provided, and the reduced power consumption of stereo glasses provides a long battery life.
  • the proposed active liquid crystal stereo glasses with FLC shutters are low-voltage, fast-acting, characterized by low energy consumption, operating in the temperature range corresponding to normal operating conditions, and the manufacturing technology of such a cell is similar to the well-developed technology of NLC shutters, which contributes to the effective application of the invention for three-dimensional full-color display.
  • the size of the modulator - FLC cell was 50x35 mm, i.e. was about 17 square meters. see.
  • a standard 3-volt lithium battery CR2032 was used for its power.
  • x st is the static value of the dielectric susceptibility
  • ⁇ is the angle of inclination of the molecules in the smectic layers.
  • ⁇ 5 ⁇ 70
  • the angle ⁇ 23 ° (or 0.4025 rad)
  • the value of K ⁇ q is about 900 erg / cm.
  • a transparent anisotropic orienting coating a polyimide film about 30 nm thick, which was rubbed, was used by centrifugation.
  • a dielectric coating an aluminum dioxide film 80 nm thick made by sputtering was used.
  • the thickness of the FLC layer was 1.5 ⁇ m, which for Wg / d yielded a value of about 770 erg / cm and satisfied relation (2) accurate to the order of magnitude for the indicated types of energy.
  • the interaction of molecules with the surface led to a partial unwinding of the helicoid.
  • the pitch of the helicoid in the electro-optical cell did not change, but the azimuthal angle ⁇ in all smectic layers became close to 0 or ⁇ .
  • FFA was divided into domains whose period was of the order of p0 / 2.
  • the light transmission experimentally observed in crossed polaroids in a modulator based on an FLC cell with a one-sided dielectric coating when modulating pulses of ⁇ 1.5 V is modulated up to 600 V and does not detect hysteresis at these frequencies, and the modulation characteristic is similar to that for cells based on nematic LCs.
  • the same modulation characteristic is observed at a frequency of up to 1500 Hz.
  • the low-voltage electronic part of the stereo glasses is based on micropower components - an electronic driver on a programmable microcontroller of the 430 series from Texas Instruments (USA) with a supply voltage of 1.8- ⁇ , a clock receiver - on micropower consuming operational amplifiers MIC863 from Micrel (USA) with a supply voltage of 1.1 -ZV.
  • the lithium cell CR2032 is used as a low-voltage battery. It is possible to use two series-connected 1.5-volt alkaline or silver-zinc elements or their rechargeable analogs (batteries).

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 дисплейной техники, и может быть использовано в системах трехмерного отображения информации. Предлагаются активные жидкокристаллические стереоочки, содержащие приемник синхросигнала, автономный источник питания, электронный драйвер и два жидкокристаллических затвора, таких, что жидкий кристалл в них является сегнетоэлектрическим, причем граничные условия для него, определяемые через квадратичный коэффициент энергии сцепления молекул слоя жидкого кристалла с граничащей поверхностью диэлектрического либо ориентирующего покрытия, связаны определенным образом с величиной шага геликоида и толщиной слоя сегнетоэлектрического жидкого кристалла. Предложен также интервал для выбора толщины слоя СЖК и условия на выполнение диэлектрического покрытия, низковольтного элемента питания и электронного драйвера.

Description

АКТИВНЫЕ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕРЕООЧКИ
(Г) 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 (ЗД) 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 τκαα , чтобы избежать перекрестных помех (crosstalk) между сменяющими друг друга на экране изображениями разных ракурсов ЗД сцены, и достаточно короткое время релаксации тге1ах , чтобы избежать паразитного градиента яркости вдоль направления развертки в каждом из указанных изображений. Для современных ЗД 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 т 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 Un своего двулучепре лом л ения .
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 тге1ах среди всех НЖК-структур [2]. НЖК π -структура характеризуется временем реакции около 0,3 мс при величине 20 В знакопеременной амплитуды управляющего напряжения (±20 В) и временем тге1ах релаксации около 3 мс. При φ = 270° (супертвист ячейка) напряжение управления снижается до ±12 В, а время
Figure imgf000005_0001
релаксации составляет около 2 мс при сохранении того же времени реакции. В обеих указанных НЖК-структурах r rete релаксации не зависит от величины управляющего напряжения (зависит от толщины d слоя НЖК).
Предельная собственная частота переключения стереоочков определяется
NLC NI С
суммой времени тгеас1 реакции и времени тге1ах релаксации, и составляет величину не более 300 Гц без учета времени, необходимо 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 ЗД 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 ЗД 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 ЗД 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 ЗД 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 τ^ . В стереоизображении появляется паразитный градиент яркости, поскольку необходимое для его отсутствия условие тге1ах < rjnt здесь не выполняется. Например, при кадровой частоте 480-500 Гц время развертки кадра составляет около 2 мс, а разница ( тге1ах - т ) 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 (ЗВ) 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.
(Ш) 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, вторую 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 ро 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 K9q* ~ WQ/d, где Κφ- модуль упругости деформации геликоида СЖК по азимутальному углу φ, a q - волновой вектор деформации геликоида СЖК (по аналогии с qo =2ιτ/ρο - волновым вектором невозмущенного геликоида с шагом спирали ро), 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 г™ 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 энергию [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 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. (iv)KpaTKoe описание фигур чертежей
На чертеже 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 кГц (сверху) и оптического отклика СЖК-затвора (внизу), отображаемые на экране осциллографа.
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
K9qe 2 ~ WQ/d, (1)
где Κφ - модуль упругости деформации геликоида СЖК по азимутальному углу φ;
qo - 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 Ρ . В каждом слое положение директора определяется полярным углом во и азимутальным углом <р, который изменяется от 0 до 2π на расстоянии, равном шагу спирали геликоида ро . 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 2θο, 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 , когда тт/«\ (здесь τ - время максвелл овской 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 Δ п ~ 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 ЗД сцены на экране дисплея. Зритель, снабженный стереоочками, попеременно наблюдает левое и правое изображение, световые потоки которых попадают соответственно в левый и правый глаза, что в силу бинокулярных свойств зрения ведет к восприятию наблюдателем объемного (стереоскопического) изображения воспроизводимой ЗД сцены. Питание приемника 1 синхросигнала и электронного драйвера 3 осуществляется напрямую от низковольтного элемента 2 питания. Конкретно, достаточно использования ЗВ 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 2,5В, 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 достаточной 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. Предлагаемые активные жидкокристаллические стереоочки с СЖК затворами являются низковольтным, быстродействующими, характеризуются низким энергоптреблением, 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. (у) 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 50x35 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°С до +64°С, спонтанная поляризация была равна 48 нКл/см2, коэффициент вращательной вязкости - 0,75 Пуаз, а шаг геликоида - 0,45 мкм. Согласно [7], упругая энергия СЖК может быть найдена из следующего соотношения:
\^, = (Κφς2)/2 = Ρ5 2/4χ8,θ2, (2) где xst - статическое значение диэлектрической восприимчивости, Θ - угол наклона молекул в смектических слоях. В рассматриваемом случае χ5ί = 70, угол Θ = 23° (или 0,4025 рад) и значение K^q составляет около 900 эрг/см .
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. 1 а) квадратичный коэффициент энергии сцепления составлял WQ = 0,05 эрг/см . Толщина слоя СЖК была 1,5 мкм, что для Wg/d давало значение около 770 эрг/см 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 ро/2. Для СЖК с шагом геликоида ро ~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/см ) 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-ЗВ, приемник синхросигнала - на микропотребляющих операционных усилителях MIC863 фирмы Micrel (США) с напряжением питания 1,1 -ЗВ. В качестве низковольного элемента питания используется литиевый элемент CR2032 напряжением ЗВ. 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. Литература В. MacNaughton, R.W. Kimmell, D.W. Allen. 3D glasses. USA Patent Application Publications, Pub. No. US 2010/0177254 Al (Jul. 15, 2010).
Deng-Ke Yang, Shin-Tson Wu. Fundamentals of liquid crystal devices. - John Wiley and Sons, 2006, pp. 199-242.
K. Kawahara. Liquid crystal panel, video display device and video display method. - US Patent Application Publication No. US 2010/0066661, опублик. 18.03.2010. H. Hasegawa, N. Isobe. Three dimensional image system. - US Patent Application Publication No. US 2010/0091207, опублик. 15.04.2010.
Chignnov V.G. Liquid Crystal Devices: Physics and Applications. Artech House Publishers, London, 359 p. (1999).
L.D. Landau, E.M. Lifshits. "Theory of Elasticity". Nauka, Moscow, 188-189, (1987).
A.L.Andreev, E.P.Pozhidaev, I.N.Kompanets, T.B.Fedosenkova, V.Ya.Zyryanov, S.L.Sorgon, T.Weyrauch, W.Haase. Saturation voltage and elastic energy of polymer dispersed ferroelectric liquid crystal films. Ferroelectrics, v. 243, 189-196 (2000).

Claims

Формула изобретения 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, вторую 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 ро 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 Κφ q ~ WQ /d, где Κφ - 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.
2. Активные жидкокристаллические стереоочки по п. 1, отличающиеся тем, что толщина d слоя сегетоэлек рического 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.
PCT/RU2011/000147 2010-11-29 2011-03-10 Активные жидкокристаллические стереоочки WO2012074429A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/990,339 US20160124281A1 (en) 2010-11-29 2011-03-10 Active Liquid-Crystal 3D Glasses

Applications Claiming Priority (2)

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

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012074429A1 true WO2012074429A1 (ru) 2012-06-07

Family

ID=46172142

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2011/000147 WO2012074429A1 (ru) 2010-11-29 2011-03-10 Активные жидкокристаллические стереоочки

Country Status (3)

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

Families Citing this family (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
CN105446019B (zh) * 2016-01-21 2019-08-02 深圳市华星光电技术有限公司 一种显示面板制作方法及液晶显示器

Citations (4)

* 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
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
US20100177254A1 (en) * 2008-11-17 2010-07-15 Macnaughton Boyd 3D Glasses

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
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 (4)

* 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
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
US20100177254A1 (en) * 2008-11-17 2010-07-15 Macnaughton Boyd 3D Glasses

Also Published As

Publication number Publication date
US20160124281A1 (en) 2016-05-05
RU2456649C1 (ru) 2012-07-20
RU2010148477A (ru) 2012-06-10

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
US6943852B2 (en) Single cell liquid crystal shutter glasses
US8023052B1 (en) High-speed liquid crystal polarization modulator
CN110618547B (zh) 液晶显示装置及其驱动方法
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
US20110221982A1 (en) Liquid crystal device and liquid crystal glasses
US8681280B2 (en) Stereoscopic image display and method for driving the same
EP2293137A1 (en) Liquid crystal shutter device and picture display system
US20140009701A1 (en) Method executed in liquid crystal device and liquid crystal glasses
RU2456649C1 (ru) Активные жидкокристаллические стереоочки
US8976306B2 (en) Shutter glasses and related 3D display system
US9946133B2 (en) Field sequential color ferroelectric liquid crystal display cell
US8848117B2 (en) Display apparatus
CN103155573B (zh) 3d显示面板和使用3d显示面板的3d显示设备及其驱动方法
RU2512095C1 (ru) Быстродействующие низковольтные жидкокристаллические стереоочки
CN203178634U (zh) 液晶盒结构
CN210072248U (zh) 3d眼镜的镜片、3d眼镜和3d显示系统
RU2702918C1 (ru) Безочковая стереоскопическая видеосистема с жидкокристаллическим дистанционным бинокулярным фильтром
Andreev et al. Fast LC devices with lowest control voltage
Andreev et al. 8.3: Stereo Glasses with Fast Low Voltage FLC Shutters
RU2503984C1 (ru) Сегнетоэлектрическая жидкокристаллическая дисплейная ячейка
WO2013126454A1 (en) Optical polarization state modulator assembly for use in stereoscopic three-dimensional image projection system
JP2012141488A (ja) 反強誘電性液晶素子
JP2002040476A (ja) 液晶表示素子

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11844788

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11844788

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13990339

Country of ref document: US