專利名稱：一種具有向列相特性的膽甾相液晶顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液晶顯示器，該顯示器中的膽甾相液晶在一定條件下具有向列相液晶的特性。本專利的核心技術(shù)是使膽甾相液晶的螺距P，晶疇大小S和光波波長λ滿足條件P/4≤λ和S＞λ，這樣，呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層可視為均勻介質(zhì)；呈焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶層可視為光延遲量可電控的單晶疇延遲片。利用特殊的液晶盒結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方法，控制液晶狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和光延遲量的變化來顯示圖象。
背景技術(shù)：
液晶顯示器已成為當(dāng)今高信息量平板顯示器的主流，其主要代表是STN-LCD和TFT-LCD。這兩種顯示器都沒有零場(chǎng)記憶功能，在靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)顯示時(shí)同樣耗電，而且響應(yīng)速度都較慢，在作彩色顯示時(shí)，不得不用3倍的象素和昂貴的彩色濾色板，光的利用率也很低(約5％)。
一般認(rèn)為，膽甾相液晶具有平面織構(gòu)和焦錐織構(gòu)兩個(gè)零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)和許多中間態(tài)。呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶對(duì)一定波段的同旋光有布拉格反射，呈焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶有一定的光散射，利用這些特性已經(jīng)制成的反射式雙穩(wěn)態(tài)和多穩(wěn)態(tài)液晶顯示器，明顯地降低了功耗，并首先應(yīng)用于電子書。但零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器的響應(yīng)速度較慢、黑白顯示的亮度和對(duì)比度較差、還不能全彩色顯示。因此，基于現(xiàn)有顯示技術(shù)的液晶顯示器都不能滿足人們對(duì)顯示器快速、可記憶、省電、廉價(jià)、高對(duì)比度、高亮度、全彩色和高畫質(zhì)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種液晶顯示器，該顯示器所用膽甾相液晶疇的螺距P，晶疇大小S和光波波長λ滿足條件P/4≤λ和S＞λ，因此它還具有向列相液晶的特性，這樣，呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層可視為均勻介質(zhì)；呈焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶層可視為單晶疇延遲片，基于這種認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)的、快速響應(yīng)的、或者零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)和快速響應(yīng)兼而有之的各種具有向列相特性的膽甾相液晶顯示器，解決了目前所有液晶顯示器存在的響應(yīng)速度慢、光利用率低、亮度不夠、對(duì)比度差和彩色顯示成本高等技術(shù)問題。
本發(fā)明的目的是在靈活應(yīng)用新發(fā)現(xiàn)的膽甾相液晶特性的基礎(chǔ)上，通過液晶盒及顯示器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、快速驅(qū)動(dòng)方案和減小散射影響等技術(shù)方案，制成一系列液晶顯示器來實(shí)現(xiàn)的。
1)新發(fā)現(xiàn)的膽甾相液晶特性在由兩塊平行基板構(gòu)成的液晶盒中，在不加電的零場(chǎng)條件下，具有螺旋織構(gòu)的膽甾相液晶存在平面織構(gòu)態(tài)和焦錐織構(gòu)態(tài)兩種穩(wěn)定態(tài)。當(dāng)一個(gè)膽甾相液晶疇的螺距P，晶疇大小S和光波波長λ，滿足條件S＞λ和λ＞P/4時(shí)，這個(gè)膽甾相液晶疇可視為具有零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)的向列相液晶疇，其指向矢為膽甾疇的螺旋對(duì)稱軸；非尋常光折射率ne’＝n0；尋常光折射率n0’＝(n0+ne)/2呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層，其螺旋對(duì)稱軸垂直或近似垂直于基板，當(dāng)光線照射時(shí)，反旋分量將透射過去，只有同旋分量才產(chǎn)生布拉格反射，而且只能反射一定波長λ和一定帶寬Δλ的光λ＝n｀Pcos θΔλ＝Δn｀/n｀λcosθ 或Δλ＝Δn｀Pcosθ通過改變液晶配方來改變n0｀和P，可使反射光的波長λ和Δλ落在可見光譜區(qū)以外，對(duì)于可見光而言，呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層就可視為均勻介質(zhì)。
呈焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶層，其螺旋對(duì)稱軸的取向在平面內(nèi)呈二維無序或一維有序，對(duì)入射光而言，相當(dāng)于一個(gè)延遲片，其延遲量隨電壓變化而變化。兩個(gè)偏振方向的折射率差Δn｀＝ne’-n0｀＝0-(ne+n0)/2＝-(ne-n0)/2；光延遲R＝Δn｀d＝-(ne-n0)d/2，其中，d為疇的厚度，對(duì)于薄的液晶盒，d等于盒厚，通過改變液晶配方和盒厚，使光延遲R等于λ/2或λ/4等，就可制成1/2延遲片，或1/4延遲片等。
2)液晶盒及顯示器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)液晶顯示器的原理是通過液晶狀態(tài)的變化，使象素呈現(xiàn)亮態(tài)和暗態(tài)來顯示圖象。在設(shè)計(jì)液晶盒時(shí)，令膽甾相液晶滿足條件S＞λ和λ＞P/4，并對(duì)液晶取向?qū)犹厥馓幚恚@樣，可把呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層當(dāng)作對(duì)光不起作用的均勻介質(zhì)；把呈焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶層當(dāng)作延遲量隨施加電壓變化的延遲片。同時(shí)，根據(jù)顯示器的使用要求，結(jié)合驅(qū)動(dòng)方式，配以偏振片、延遲片、反射鏡和背光源等組成各種液晶顯示器。
3)快速驅(qū)動(dòng)方案采用快速驅(qū)動(dòng)方案的目的是為了使液晶在平面織構(gòu)態(tài)和焦錐織構(gòu)態(tài)之間迅速轉(zhuǎn)換，并在呈一維有序焦錐態(tài)時(shí)，快速改變其光延遲量。
膽甾相液晶的直流光電特性曲線如

圖1所示，圖中，L為相對(duì)透光率，V為外加電壓。一般的驅(qū)動(dòng)方法是在膽甾相液晶層施加直流電壓V，使液晶指向矢趨向于和外加電場(chǎng)方向平行，然后逐漸加大電壓，當(dāng)電壓大于VB時(shí)，開始解旋；當(dāng)電壓等于大于VC時(shí)，液晶層進(jìn)入場(chǎng)致向列相，指向矢完全平行于電場(chǎng)方向，此時(shí)，若突然斷電，液晶將變成平面織構(gòu)態(tài)，若緩慢地將電壓降低至小于VC，液晶將呈“偽場(chǎng)致向列相”；當(dāng)電壓降到VC’時(shí)，液晶開始形成螺距隨電壓增大而增長的焦錐織構(gòu)態(tài)；當(dāng)電壓降到等于小于VA時(shí)，液晶完全呈焦錐織構(gòu)態(tài)。采用這種驅(qū)動(dòng)方法，響應(yīng)速度太慢。
為了加快轉(zhuǎn)換速度，我們采用如圖2所示的脈沖序列來代替直流電場(chǎng)。首先，加一幅度遠(yuǎn)大于VC的脈沖電壓τ1，將液晶驅(qū)動(dòng)到場(chǎng)致向列相，在很短的τ2期間，液晶呈平面織構(gòu)態(tài)；接著加幅度為V2的脈沖電壓τ3，這里，VA＜V2＜VB，τ3結(jié)束后，液晶呈二維無序焦錐織構(gòu)態(tài)。調(diào)節(jié)V1、V2和τ1+τ3即可使總驅(qū)動(dòng)時(shí)間τ＝τ1+τ2+τ3最短，實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。
為了得到螺旋軸取向一維有序的焦錐織構(gòu)態(tài)，采用如圖3所示的程序階梯波脈沖電壓來代替直流電壓。首先用幅度V1＞＞VC的脈沖τ1將液晶層驅(qū)動(dòng)到場(chǎng)致向列相，再用幅度V2(略小于VC’)的脈沖τ2，使液晶層開始出現(xiàn)螺距逐漸增長的焦錐織構(gòu)態(tài)，接著用更小的但大于VA的兩三個(gè)幅度為V3、V4….的階梯脈沖，使液晶層直接從“偽場(chǎng)致向列相”過渡到螺旋軸取向一維有序的焦錐織構(gòu)態(tài)。調(diào)節(jié)各階梯脈沖的幅度和持續(xù)時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。
平面織構(gòu)態(tài)和焦錐織構(gòu)態(tài)都是零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)，由于驅(qū)動(dòng)成平面織構(gòu)態(tài)比驅(qū)動(dòng)成焦錐織構(gòu)態(tài)快，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，先將作為象素的液晶全部驅(qū)動(dòng)成焦錐織構(gòu)態(tài)，再逐行掃描將需要轉(zhuǎn)換的象素驅(qū)動(dòng)成平面織構(gòu)態(tài)，這樣可以快速完成幀驅(qū)動(dòng)。
4)減小散射影響實(shí)際上，膽甾相液晶層是由許多直徑為幾微米至幾十微米的晶疇組成的，特別是在焦錐織構(gòu)態(tài)，螺旋軸取向通常呈二維無序，由于疇的大小S＞λ，當(dāng)光線照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生米氏散射，使光偏離原來的傳播方向，并使部分偏振光退偏，變成非偏振光，降低對(duì)比度，影響顯示質(zhì)量。
為了減少散射提高對(duì)比度，對(duì)于平面織構(gòu)態(tài)，可以采用摩擦上下表面的方法，使疇變大，減少散射。對(duì)于焦錐織構(gòu)態(tài)，采用上下表面反平行取向和選擇最合適的預(yù)傾角，包括一邊平行另一邊垂直的預(yù)傾角，使疇變大，減少散射。另外，使螺旋軸的取向從二維無序變成基本上一維有序，形成大疇，使液晶層成為較理想的延遲片，也可以減少散射影響。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、由于本發(fā)明利用膽甾相液晶在滿足S＞λ和λ＞P/4條件下，兼有向列相液晶的電光特性，采用特殊的驅(qū)動(dòng)方法，可以使液晶在平面織構(gòu)態(tài)和焦錐織構(gòu)態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換，也可以將液晶驅(qū)動(dòng)為焦錐織構(gòu)態(tài)，由施加電壓控制其光延遲，因此，本發(fā)明提供的液晶顯示器，既有零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)所表現(xiàn)的記憶功能，很省電，又有快速響應(yīng)能力；2、由于本發(fā)明可以采用特殊的驅(qū)動(dòng)方法使液晶始終工作在一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，通過改變施加電壓可以快速改變其光延遲，因此，響應(yīng)速度比TN、STN液晶都快很多，足夠用于動(dòng)畫顯示，而且通過控制電壓，可以使光延遲在λ/2～0之間連續(xù)變化，產(chǎn)生不同的灰度，實(shí)現(xiàn)多灰度級(jí)顯示；3、由于本發(fā)明的響應(yīng)速度很快，可以采用時(shí)序式彩色方案，只需要現(xiàn)有彩色液晶顯示器1/3的象素，就可獲得同等清晰度，因此，節(jié)省了2/3的驅(qū)動(dòng)電路，又省去了昂貴的彩色濾光片，降低了成本，提高了光利用率；4、由于本發(fā)明的顯示原理是利用光通過則呈亮態(tài)，光通不過則呈暗態(tài)來顯示圖象的，因此在自然光下呈黑白顯示，用作電子書，適合人的閱讀習(xí)慣；5、由于本發(fā)明采取了減小散射影響的技術(shù)措施，降低了散射，而且，呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層相當(dāng)于均勻介質(zhì)，在整個(gè)光譜范圍內(nèi)均呈很好的暗態(tài)，所以對(duì)比度較高；6、本發(fā)明屬原理性發(fā)明，只要滿足S＞λ和λ＞P/4，就可以根據(jù)使用要求，選擇合適的驅(qū)動(dòng)方案，配以偏振片、延遲片、反射鏡、背光源、有源矩陣等，設(shè)計(jì)成反射型或透射型顯示器、日夜均可用的顯示器、有記憶的顯示器和全彩色顯示器等，并且可以在一個(gè)顯示器上同時(shí)具有多項(xiàng)功能。
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。為了便于闡述，在以下所有結(jié)構(gòu)圖中，把液晶層LC分成左、右兩半，用不同的符號(hào)表示液晶的織構(gòu)態(tài)，并分層說明液晶呈不同織構(gòu)態(tài)時(shí)光在顯示器中的行徑及呈現(xiàn)亮、暗態(tài)的情況。
圖1、膽甾相液晶的直流光電特性曲線圖2、本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)脈沖序列圖3、本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)程序階梯波圖4、本發(fā)明的反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器(螺旋軸取向二維無序)圖5、本發(fā)明的透、反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器(螺旋軸取向二維無序)圖6、本發(fā)明的可顯示彩色動(dòng)畫的透射型液晶顯示器(螺旋軸取向二維無序)
圖7、本發(fā)明的反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)快速液晶顯示器(螺旋軸取向一維有序)圖8、本發(fā)明的反射型高對(duì)比度零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器(螺旋軸取向一維有序)圖9、本發(fā)明的透、反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器(螺旋軸取向一維有序)圖10、本發(fā)明的反射型快速液晶顯示器(螺旋軸取向一維有序)圖11、本發(fā)明的可顯示彩色動(dòng)畫的透射型液晶顯示器(螺旋軸取向一維有序)圖12、本發(fā)明的可顯示彩色動(dòng)畫的透射型液晶顯示器(螺旋軸取向一維有序)具體實(shí)施方式
按照焦錐織構(gòu)態(tài)的螺旋軸取向在平面內(nèi)呈二維無序和一維有序，設(shè)計(jì)出兩類顯示器。
一、螺旋軸取向在平面內(nèi)呈二維無序這類顯示器的優(yōu)點(diǎn)是盒內(nèi)取向?qū)右字谱鳎?qū)動(dòng)波形較簡單；缺點(diǎn)是液晶疇產(chǎn)生的散射會(huì)降低圖象對(duì)比度，盒結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
1.1反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器(參見圖4)由偏振片P，λ/4延遲片，液晶層LC和反射鏡面M組成，該液晶層可驅(qū)動(dòng)成對(duì)光不起作用的平面織構(gòu)態(tài)(左)，或驅(qū)動(dòng)成使光延遲λ/4的焦錐織構(gòu)態(tài)(右)。
左半圖入射自然光通過偏振片，變成線偏振光，經(jīng)過λ/4延遲片變成圓偏振光，通過呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層沒有變化，到鏡面反射后，向上傳播。相對(duì)于光的傳播方向圓偏振光反旋，再經(jīng)過呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層，沒有變化，經(jīng)過λ/4延遲片，因圓偏振光反旋，出射線偏振光與入射線偏振光偏振方向垂直，不能通過偏振片，呈暗態(tài)。
右半圖入射自然光通過偏振片和λ/4延遲片，變?yōu)閳A偏振光，通過呈焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶層，延遲λ/4，變成線偏振光，到鏡面反射后，向上傳播。再通過液晶層，延遲λ/4，變成同旋的圓偏振光，經(jīng)過λ/4延遲片，變成線偏振光，偏振方向與偏振片相同，光線通過偏振片，呈亮態(tài)。
這種液晶盒織構(gòu)雖然簡單，但因螺旋軸取向二維無序，要求入射光和反射光必須在同一液晶疇，這就要求液晶疇要大，反射面要緊貼液晶層。1.2透、反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器(參見圖5)由偏振片P1，λ/4延遲片1，液晶層LC，λ/4延遲片2和偏振片P2組成，偏振片P1和偏振片P2的偏振方向相互垂直，該液晶層可驅(qū)動(dòng)成對(duì)光不起作用的平面織構(gòu)態(tài)(左)，或驅(qū)動(dòng)成使光延遲λ/2的焦錐織構(gòu)態(tài)(右)。
左半圖入射自然光通過偏振片P1和λ/4延遲片1，變成圓偏振光，通過呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層不變，通過λ/4延遲片2，因其光軸與λ/4延遲片1的光軸垂直，它們的作用抵消，出射光仍為原偏振方向的線偏振光，光線通過偏振片P2，呈亮態(tài)。
右半圖自然光通過偏振片P1和λ/4延遲片1，變成圓偏振光，通過使光延遲λ/2的焦錐織構(gòu)態(tài)液晶層，變成反旋的圓偏振光，通過λ/4延遲片2，因其光軸與λ/4延遲片1的光軸垂直，它們的作用抵消，變成線偏振光，與偏振片P2的偏振方向垂直，光線不能通過，呈暗態(tài)。
如果將偏振片P2的偏振方向改為與偏振片P1的偏振方向垂直，則光線通過偏振片P2時(shí)，由平面織構(gòu)來的光線不能通過，呈暗態(tài)，由焦錐織構(gòu)態(tài)來的光線能通過，呈亮態(tài)。因呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層相當(dāng)于均勻介質(zhì)，在整個(gè)光譜范圍內(nèi)均呈很好的暗態(tài)，所以對(duì)比度更好。
如果在偏振片P2的下面加反射鏡M，就成為反射型顯示器；加半透半反射鏡和背光源，在環(huán)境亮?xí)r用為反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)顯示器，省電；在環(huán)境暗時(shí)啟用背光源，日夜可用。
1.3可顯示彩色動(dòng)畫的透射型液晶顯示器(參見圖6)由偏振片P1，λ/4延遲片1，液晶層LC，λ/4延遲片2和偏振片P2組成，偏振片P1和偏振片P2的偏振方向相互垂直，該液晶層呈焦錐織構(gòu)態(tài)時(shí)，光延遲量隨施加電壓變化，不加電時(shí)，光延遲量為λ/2(右)，加電壓至接近解旋電壓時(shí)，開始呈現(xiàn)向列相特征，光延遲量接近于零(左)。
左半圖λ射自然光通過偏振片P1和λ/4延遲片1，變成圓偏振光，通過接近向列相的液晶層，光延遲量接近于零，通過λ/4延遲片2后，變?yōu)榫€偏振光，光通不過偏振片P2，無光線射出，呈暗態(tài)。
右半圖入射自然光通過偏振片P1和λ/4延遲片1，變成圓偏振光，通過呈焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶層，使光延遲λ/2，變成反旋的圓偏振光，通過λ/4延遲片2，因其光軸與λ/4延遲片1的光軸垂直，它們的作用抵消，變成線偏振光，與偏振片P2的偏振方向相同，光線通過，呈亮態(tài)。
由于液晶工作在接近向列相和焦錐織構(gòu)態(tài)，因此響應(yīng)速度很快，足夠用于動(dòng)畫顯示。而且可以通過控制電壓，使延遲量在λ/2～0連續(xù)變化，產(chǎn)生不同的灰度，實(shí)現(xiàn)多灰度顯示。若用紅、綠、藍(lán)三組光源與紅、綠、藍(lán)圖像同步輪流照射，用TFT電路驅(qū)動(dòng)，則可制成彩色顯示器，只用現(xiàn)有彩色液晶顯示器1/3的象素，就可獲得相同的清晰度。由于節(jié)省了2/3的驅(qū)動(dòng)電路，又省去了昂貴的彩色濾光片，因此成本大大降低，光利用率大大提高。
如果在偏振片P2下面加反射鏡，就成為反射型顯示器；如果加半透半反射鏡和背光源，在環(huán)境亮?xí)r用為反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)顯示器，省電；在環(huán)境暗時(shí)，啟用背光源，日夜可用。這樣，用同一個(gè)顯示器既具有記憶功能，省電、不閃爍；又具有快速響應(yīng)特性，能看彩色動(dòng)畫。
二、螺旋軸取向在平面內(nèi)呈一維有序這類顯示器的優(yōu)點(diǎn)是液晶盒的結(jié)構(gòu)簡單，能形成大疇，降低散射，提高對(duì)比度。但液晶盒表面需反平行取向和選擇合適的預(yù)傾角，包括選擇一面平行另一面垂直的預(yù)傾角，還需設(shè)計(jì)特殊的驅(qū)動(dòng)波型，使液晶快速進(jìn)入一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)。
2.1反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)快速液晶顯示器(參見圖7)由偏振片P、液晶層LC和反射鏡M組成，液晶層可驅(qū)動(dòng)成對(duì)光不起作用的平面織構(gòu)態(tài)(左)；或驅(qū)動(dòng)成使光延遲λ/4的一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，其螺旋軸取向與偏振片方向呈45°角(右)。
左半圖入射自然光通過偏振片，變成線偏振光，通過呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層不變，鏡面反射后，向上傳播。再通過呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層，無變化，光線通過偏振片，呈亮態(tài)。
右半圖入射自然光通過偏振片，變成線偏振光，通過呈焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶層延遲λ/4，變成圓偏振光，鏡面反射后，向上傳播。相對(duì)于傳播方向變成反旋圓偏振光，再通過呈焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶層延遲λ/4，變成偏振方向垂直于偏振片偏振方向的線偏振光，不能通過偏振片，呈暗態(tài)。
2.2反射型高對(duì)比度零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器(參見圖8)由偏振片P、λ/4延遲片、液晶層LC和反射鏡M組成，液晶層可驅(qū)動(dòng)成對(duì)光不起作用的平面織構(gòu)態(tài)(左)；或驅(qū)動(dòng)成使光延遲λ/4的一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，其螺旋軸取向與λ/4延遲片的光軸垂直(右)。
左半圖入射自然光通過偏振片P，變成線偏振光，反射前后兩次通過呈平面織構(gòu)態(tài)的液晶層LC和λ/4延遲片，變成偏振方向與紙面垂直的線偏振光，不能通過偏振片P，呈暗態(tài)。
右半圖由偏振片產(chǎn)生的線偏振光，通過呈焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶層延遲λ/4，由于焦錐織構(gòu)的螺旋軸與λ/4延遲片的光軸垂直，它們的延遲作用抵消，對(duì)光沒有作用。經(jīng)反射后偏振方向不變，能再通過偏振片，呈亮態(tài)。
由于平面織構(gòu)態(tài)對(duì)光沒有作用，采用廣譜λ/4延遲片，暗態(tài)較好，而且，一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶疇大，散射較弱，因此對(duì)比度較高。2.3透、反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器(參見圖9)由偏振片P1、液晶層LC和偏振片P2組成，液晶層可驅(qū)動(dòng)成對(duì)光不起作用的平面織構(gòu)態(tài)(左)，或驅(qū)動(dòng)成使光延遲λ/2的一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，其螺旋軸與偏振片P1的偏振方向呈45°角(右)，偏振片P1和偏振片P2的偏振方向相同。
左半圖入射自然光通過偏振片P1，變成線偏振光，通過對(duì)光不起作用的平面織構(gòu)態(tài)液晶層后，偏振方向不變，能通過偏振片P2，呈亮態(tài)。
右半圖入射自然光通過偏振片P1，變成線偏振光，通過呈一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶層，延遲λ/2，偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，不能通過偏振片P2，呈暗態(tài)。
如果使偏振片P2的偏振方向垂直于偏振片P1的偏振方向，則液晶呈平面織構(gòu)態(tài)時(shí)為暗態(tài)，液晶呈焦錐織構(gòu)態(tài)時(shí)為亮態(tài)。由于呈平面織構(gòu)態(tài)時(shí)為暗態(tài)，因此對(duì)比度較高。
如果在偏振片P2下面加反射鏡，就成為反射型顯示器；如果在偏振片P2下面加半透半反射鏡和背光源，則可在環(huán)境亮?xí)r用為零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)顯示器，省電；環(huán)境暗時(shí)啟用背光源，日夜可用。
2.4反射型快速液晶顯示器(參見圖10)由偏振片P、液晶層LC和反射鏡M組成，液晶層始終呈一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，響應(yīng)速度比TN、STN都快，可顯示動(dòng)畫，其螺旋軸取向與偏振片P的偏振方向成45°角，不加電時(shí)，延遲量為λ/2(左)；加電時(shí)，延遲量為λ/4(右)。
左半圖自然光經(jīng)偏振片P變成線偏振光，通過液晶層LC，延遲λ/2，變成偏振方向與原偏振方向垂直的線偏振光，反射鏡反射后，再經(jīng)過液晶層LC，延遲λ/2，變成與入射偏振光偏振方向相同的偏振光，通過偏振片，呈亮態(tài)。
右半圖自然光經(jīng)偏振片P變成線偏振光，通過液晶層LC，延遲λ/4，變成園偏振光，經(jīng)M反射后，再經(jīng)過液晶層LC，延遲λ/4，變成與入射偏振光偏振方向垂直的偏振光，不能通過偏振片，呈暗態(tài)。
如果在偏振片P和液晶層LC之間加一個(gè)λ/4延遲片，其光軸與偏振片P的偏振方向呈45°角，與液晶層LC的螺旋軸方向呈90°角，則加電時(shí)，液晶層延遲λ/4，呈暗態(tài)；不加電時(shí)，液晶層延遲λ/2，呈亮態(tài)。
2.5可顯示彩色動(dòng)畫的透射型液晶顯示器(參見圖11)由偏振片P1、3λ/4延遲片、液晶層LC和偏振片P2組成。兩偏振片的偏振方向相同，3λ/4延遲片的光軸與偏振方向呈45°，其螺旋軸方向與延遲片光軸方向垂直，不加電時(shí)，光延遲3λ/4(左)；加電時(shí)，光延遲1/4λ(右)，因?yàn)橐壕冀K工作在一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，響應(yīng)速度比TN、STN都快，可用于動(dòng)畫和時(shí)序式全彩色顯示。
左半圖一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)液晶層LC的光延遲(3λ/4)與3λ/4延遲片的作用相抵消，光通過偏振片P2，呈亮態(tài)。
右半圖一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)液晶層LC的光延遲(λ/4)，與3/4λ延遲片的總作用相當(dāng)于光延遲λ/2，偏振光的偏振方向改變了90°，光線不能通過偏振片P2，呈暗態(tài)。
如果使偏振片P1和偏振片P2的偏振方向垂直，則不加電時(shí)，光延遲3λ/4，呈暗態(tài)；加電時(shí)，光延遲λ/4，呈亮態(tài)。
如果在偏振片P2下面加反射鏡，則成為反射型顯示器；如果加半透半反射鏡和背光源，則可制成日夜均可用的顯示器；如果背光源用紅、綠、藍(lán)三色輪流照射，與紅、綠、藍(lán)的圖象同步，則可制成能顯示動(dòng)畫的時(shí)序式全彩色顯示器。
2.6可顯示彩色動(dòng)畫的透射型液晶顯示器(參見圖12)液晶始終工作于一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，不加電時(shí)，液晶層的光延遲為λ/2，加電時(shí)，液晶近似于場(chǎng)致向列相，光延遲接近于0，則可制成快速響應(yīng)顯示器；如果將兩組程序階梯波驅(qū)動(dòng)電壓(參見圖2和圖3)都加在這種織構(gòu)上，并配以紅、綠、藍(lán)三色光源，則既可用于零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)顯示器，省電，又可用于時(shí)序式全彩色動(dòng)畫顯示。
權(quán)利要求
1.一種液晶顯示器，有一個(gè)液晶盒，該液晶盒設(shè)有上下兩塊平行透明基板，該透明基板的內(nèi)表面設(shè)有透明電極，在透明電極的內(nèi)表面設(shè)有設(shè)置預(yù)傾角的取向?qū)樱撘壕Ш兄苓呍O(shè)有密封圈，液晶盒內(nèi)灌注有含很多小疇的膽甾相液晶，其特征是所述膽甾相液晶疇，忽略邊界影響，為均勻螺旋織構(gòu)，其螺距P、尺寸S和光波波長λ，應(yīng)滿足條件S＞λ和λ＞P/4。于是，這個(gè)膽甾相液晶疇可視為向列相液晶疇，其指向矢為膽甾相液晶疇的螺旋對(duì)稱軸；其非尋常光折射率ne’＝n0；尋常光折射率n0’＝(n0+ne)/2；其中ne、n0分別為膽甾相液晶的非尋常光和尋常光折射率。膽甾相液晶呈平面織構(gòu)態(tài)時(shí)，相當(dāng)于指向矢垂直于液晶盒表面的向列相液晶，除對(duì)某一波段的入射同旋光產(chǎn)生布拉格反射外，對(duì)其余的入射光可視為透明的均勻介質(zhì)；呈焦錐織構(gòu)態(tài)時(shí)，相當(dāng)于指向矢平行于液晶盒表面的向列相液晶，可視為對(duì)入射光產(chǎn)生延遲作用的單晶軸延遲片，其光延遲約為(n0-ne)d/2，隨所加電壓迅速(亞毫秒量級(jí))變化，其中d為疇的厚度，對(duì)于薄液晶盒即為盒厚，所加電壓越高，光延遲越小，當(dāng)所加電壓接近解旋電壓時(shí)，液晶接近于場(chǎng)致向列相，光延遲接近于零。基于對(duì)膽甾相液晶特性的這種新認(rèn)識(shí)，將液晶盒和偏振片、延遲片、反射鏡、背光源、簡單或、有源矩陣等組合在一起，可設(shè)計(jì)成一系列液晶顯示器，在液晶盒上施加驅(qū)動(dòng)電壓，使具有向列相液晶特性的膽甾相液晶轉(zhuǎn)變狀態(tài)，呈現(xiàn)象素的亮態(tài)和暗態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其特征在于所述液晶盒的取向?qū)邮欠雌叫腥∠驅(qū)?，或者是一面平行一面垂直的取向?qū)?，盒厚?.5～1.0微米，膽甾相液晶螺距小于3微米，可得到零場(chǎng)穩(wěn)定的一維取向焦錐織構(gòu)態(tài)，即螺旋對(duì)稱軸垂直于取向?qū)臃较?，?duì)于入射光相當(dāng)于延遲片，其光延遲與取向?qū)拥脑O(shè)置有關(guān)，約為d(n0-ne)/2，其中d為盒厚。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)電壓有兩組。一組是驅(qū)動(dòng)液晶進(jìn)入二維無序焦錐織構(gòu)態(tài)的程序脈沖電壓首先加一個(gè)脈幅遠(yuǎn)大于解旋電壓、脈寬小于5ms的脈沖電壓，在脈寬終了，液晶被驅(qū)動(dòng)到場(chǎng)致向列相，呈平面織構(gòu)態(tài)，接著加一個(gè)脈幅小于解旋電壓、脈寬略寬的脈沖電壓，使液晶呈二維無序焦錐織構(gòu)態(tài)，調(diào)節(jié)電壓和脈沖寬度，可實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。另一組是驅(qū)動(dòng)液晶進(jìn)入一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)的程序階梯波脈沖電壓首先加一個(gè)幅度大于解旋電壓、脈寬小于5ms的梯波脈沖電壓，在脈寬終了，膽甾相液晶進(jìn)入場(chǎng)致向列相，接著加幅度略小于能保持偽場(chǎng)致向列相的最低電壓、脈寬適當(dāng)?shù)碾A梯脈沖，在脈寬終了，膽甾相液晶部分進(jìn)入一維畸變焦錐織構(gòu)態(tài)，然后再加一兩個(gè)窄脈寬階梯波脈沖電壓，使其迅速進(jìn)入一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其特征在于所述液晶顯示器的盒厚、液晶和取向?qū)?，保證液晶呈焦錐織構(gòu)態(tài)時(shí)的光延遲為λ/4，這里λ＝550nm，在該液晶盒的上基板表面設(shè)有一個(gè)λ/4延遲片，在該λ/4延遲片上設(shè)有一個(gè)偏振片，緊貼該液晶盒的下基板表面設(shè)有一個(gè)反射鏡，必須保證入射光和反射光通過同一焦錐疇。該液晶層可被驅(qū)動(dòng)成對(duì)光不起作用的平面織構(gòu)態(tài)，或驅(qū)動(dòng)成使光延遲λ/4的二維無序焦錐織構(gòu)態(tài)，即組成了反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器。如果液晶層不是驅(qū)動(dòng)成二維無序焦錐織構(gòu)態(tài)，而是驅(qū)動(dòng)成使光延遲λ/4、螺旋軸取向與偏振片偏振方向呈45°角的一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，則由于一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)的液晶疇大，易保證入射光和反射光通過同一焦錐疇，散射較弱，而且，由于平面織構(gòu)態(tài)對(duì)光沒有作用，采用廣譜λ/4延遲片，暗態(tài)較好，這樣即組成了反射型高對(duì)比度零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器。該顯示器和簡單矩陣或有源矩陣結(jié)合，即制成零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)高清晰度黑白液晶顯示器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其特征在于所述液晶盒的盒厚、液晶和取向?qū)樱ＷC液晶呈焦錐織構(gòu)態(tài)時(shí)的光延遲為λ/2，這里λ＝550nm，在該液晶盒的上下基板外表面各設(shè)有一個(gè)λ/4延遲片，在該λ/4延遲片的另一面各設(shè)有一個(gè)偏振片，兩偏振片的偏振方向相同，兩λ/4延遲片的光軸互相垂直，該液晶層可驅(qū)動(dòng)成對(duì)光不起作用的平面織構(gòu)態(tài)，或驅(qū)動(dòng)成使光延遲λ/2的焦錐織構(gòu)態(tài)，即組成了透射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器。若在下偏振片的下面設(shè)有反射鏡，就成為反射型顯示器；若在下偏振片的下面設(shè)有半透半反射鏡和背光源，在環(huán)境亮?xí)r用為反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)顯示器，在環(huán)境暗時(shí)啟用背光源，就成為日夜可用的透、反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液晶顯示器，其特征在于所述液晶顯示器的液晶層呈焦錐織構(gòu)態(tài)時(shí)，光延遲量隨施加電壓變化，加電壓至接近解旋電壓時(shí)，開始呈現(xiàn)向列相特征，光延遲量接近于零，由于液晶工作在接近向列相和焦錐織構(gòu)態(tài)，因此響應(yīng)速度很快，可以通過控制電壓，使延遲量在λ/2～0連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)多灰度顯示。若用紅、綠、藍(lán)三組光源與紅、綠、藍(lán)圖像同步輪流照射，和有源矩陣結(jié)合，則可制成可顯示彩色動(dòng)畫的透射型液晶顯示器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其特征在于所述液晶顯示器的液晶盒上基板表面設(shè)有偏振片，液晶盒下基板表面設(shè)有反射鏡，用程序階梯波脈沖電壓將液晶驅(qū)動(dòng)成對(duì)光不起作用的平面織構(gòu)態(tài)，或驅(qū)動(dòng)成使光延遲λ/4、螺旋軸取向與偏振片偏振方向呈45°角的一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，即組成了反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)快速液晶顯示器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其特征在于所述液晶盒的盒厚、液晶和取向?qū)樱ＷC液晶呈焦錐織構(gòu)態(tài)時(shí)，光延遲為λ/2，這里λ＝550nm，在該液晶盒的上下基板表面各設(shè)有一個(gè)偏振片，兩偏振片的偏振方向相同，該液晶層可被驅(qū)動(dòng)成對(duì)光不起作用的平面織構(gòu)態(tài)，或驅(qū)動(dòng)成使光延遲λ/2的一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，其螺旋軸與偏振片的偏振方向呈45°角，即組成了透射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器。若加電時(shí)，液晶不是驅(qū)動(dòng)成平面織構(gòu)態(tài)，而是驅(qū)動(dòng)成近似于場(chǎng)致向列相，光延遲接近于0，對(duì)光不起作用，響應(yīng)速度更快。若將兩組程序階梯波驅(qū)動(dòng)電壓都加在這種織構(gòu)上，并配以紅、綠、藍(lán)三色光源，則既可用于零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)顯示器，又可用于時(shí)序式全彩色動(dòng)畫顯示。加電場(chǎng)使焦錐疇的光學(xué)延遲在λ/2～0之間連續(xù)變化，可實(shí)現(xiàn)多灰度顯示。若在下偏振片的下面設(shè)有反射鏡，即成為反射型顯示器；若在下偏振片的下面設(shè)有半透半反射鏡和背光源，在環(huán)境亮?xí)r用為反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)顯示器，在環(huán)境暗時(shí)啟用背光源，就成為日夜可用的透、反射型零場(chǎng)穩(wěn)態(tài)液晶顯示器。若將兩偏振片的偏振方向設(shè)置成互相垂直，則液晶層呈平面織構(gòu)態(tài)時(shí)，在整個(gè)光譜范圍內(nèi)均呈很好的暗態(tài)，對(duì)比度更好。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其特征在于所述液晶盒的上基板表面設(shè)有一偏振片，下基板表面設(shè)有一反射鏡，液晶始終工作在一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，其螺旋軸取向與偏振片偏振方向呈45°角，不加電時(shí)光延遲為λ/2；加電時(shí)光延遲為λ/4，響應(yīng)速度很快，即組成反射型快速液晶顯示器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液晶顯示器，其特征在于所述液晶盒的上表面設(shè)有一個(gè)3λ/4延遲片，該3λ/4延遲片上面設(shè)有一個(gè)偏振片，液晶盒的下表面設(shè)有一個(gè)偏振片，兩偏振片的偏振方向相同，3λ/4延遲片的光軸與偏振片的偏振方向呈45°角，液晶始終工作在一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，其螺旋軸方向與延遲片光軸方向垂直，不加電時(shí)，光延遲3λ/4，加電時(shí)，光延遲1/4λ，因?yàn)橐壕冀K工作在一維有序焦錐織構(gòu)態(tài)，光延遲可隨電壓連續(xù)變化，呈現(xiàn)多級(jí)灰度，而且響應(yīng)速度很快，可用于動(dòng)畫和時(shí)序式全彩色顯示。若兩偏振片的偏振方向互相垂直，則顯示圖象倒相，即亮態(tài)和暗態(tài)互換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有向列相特性的液晶顯示器，有一個(gè)液晶盒，該液晶盒內(nèi)灌注有膽甾相液晶，其特征在于所述膽甾相液晶疇的螺距P、大小S和光波波長λ滿足條件P/4＜λ和S＞λ于是，膽甾疇可視為向列疇；呈平面織構(gòu)態(tài)的膽甾相液晶可視為均勻介質(zhì)；呈焦錐織構(gòu)態(tài)的膽甾相液晶可視為光延遲隨電場(chǎng)迅速變化的單晶疇延遲片?；谒瞿戠尴嘁壕У奶匦?，根據(jù)使用要求，設(shè)計(jì)液晶盒LC，選擇液晶材料、取向?qū)雍万?qū)動(dòng)方式，配以偏振片P、1/4延遲片和反射鏡M等光學(xué)元件，可以設(shè)計(jì)出一系列液晶顯示器，不僅可以取代現(xiàn)有的各種液晶顯示器，還可以制成廉價(jià)的彩色動(dòng)畫顯示器和具有記憶功能的顯示器，特別是以其黑白顯示和省電的優(yōu)點(diǎn)，適用于電子書。
文檔編號(hào)G02F1/137GK1510478SQ0215868
公開日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2002年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月26日
發(fā)明者溫景梧 申請(qǐng)人:溫景梧