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Diese Erfindung bezieht sich auf die Koordinaten-Adressierung
von Flüssigkristallzellen. Die Koordinaten-Adressierung
derartiger Zellen kann durch Verfahren erreicht werden, bei denen
jedes Pixel als Überlappungsbereich zwischen einem Element
eines Satzes von Reihenelektroden auf einer Seite der
Flüssigkristallschicht und einem Element eines weiteren Satzes von
Spaltenelektroden auf der anderen Seite definiert ist. Bei
einem alternativen Koordinaten-Adressierungsverfahren ist auf
der Rückseite des Flüssigkristalls eine 'aktive Rückwandebene'
angeordnet, die eine Koordinatenanordnung von Elektrodenkissen
aufweist, die auf einer Koordinatenbasis innerhalb der aktiven
Rückwandebene adressiert werden, und elektrische Ansteuersignale
werden an die Flüssigkristallschicht zwischen einzelnen
Elementen dieses Satzes von Elektrodenkissen auf einer Seite
der Flüssigkristallschicht und einer damit zusammenwirkenden
Vorderwandelektrode auf der anderen Seite der
Flüssigkristallschicht angelegt. Allgemein ist die Vorderwandelektrode eine
einzige Elektrode, doch kann sie in manchen Fällen in eine
Anzahl von elektrisch getrennten Bereichen unterteilt sein.
Die aktive Rückwandebene kann als eine integrierte Einkristall-
Halbleiterstruktur, beispielsweise aus Silizium aufgebaut sein.
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Diese Erfindung bezieht sich insbesondere auf die aktive
Rückwandebenen-Adressierung von Flüssigkristallzellen, die ein
optisches Analog-Ansprechverhalten auf das Anlegen einer Analog-
Potentialdifferenz längs der Dicke der Flüssigkristallschicht
aufweisen. Beispiele derartiger Flüssigkristall-Analogeffekte
schließen den elektrischen Inklinationseffekt in der smektischen
A-Phase bestimmter ferroelektrischer Flüssigkristallmaterialien
und den verformten Schraubenlinieneffekt ein, den bestimmte
ferroelektrische Flüssigkristallmaterialien zeigen, die eine
sehr kurze Schraubenlinien-Ganghöhe typischerweise im Bereich
von 0,1 bis 02 Mikrometer aufweisen.
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Bei der elektrischen Adressierung von Flüssigkristallzellen ist
es allgemein wichtig, sicherzustellen, daß die Pixel keiner
wesentlichen kumulativen Langzeit-Ladungsunsymmetrie ausgesetzt
werden, die zu elektrolythischen Beeinträchtigungseffekten in
der Zelle führen könnte. Im Fall von Zellen, deren
Ansprechverhalten nicht polarisationsabhängig ist, kann eine Langzeit-
Ladungssymmetrie in vielen Fällen dadurch sichergestellt werden,
daß durchgehend ladungssymmetrische
Wechselspannungs-Ansteuersignale verwendet werden, doch ergeben sich in erkennbarer Weise
Probleme bei der Übertragung dieser Lösung auf die Adressierung
von Zellen, deren Ansprechverhalten Polarisationsabhängig ist,
weil unter diesen Umständen die Zuführung eines
ladungssymmetrischen Wechselspannungs-Anregungssignals an ein Pixel dazu führen
kann, daß es zunächst eine vorübergehende Änderung von seinem
Anfangszustand auf irgendeinen anderen Zustand ausführt, jedoch
dann wahrscheinlich erneut in den Anfangszustand zurückgesetzt
wird. Das gleiche Problem tritt bei der Ansteuerung von Zellen
auf, die ein Analog-Ansprechverhalten aufweisen.
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In der folgenden Beschreibung wird irgendein bestimmtes Pixel
einer Koordinatenanordnung oder Matrix von Pixeln durch seine
Reihen- und Spalten-Koordinaten identifiziert. Während bei der
üblichen Verwendung der Ausdrücke 'Reihe' und 'Spalte' die
Reihen bzw. Spalten als sich in Horizontalrichtung bzw. in
Vertikalrichtung erstreckende Zeilen identifiziert sind, werden
im vorliegenden Fall diese Ausdrücke in einem breiteren Sinn so
verwendet, daß sie nicht irgendeine bestimmte Ausrichtung der
Reihen- und Spaltenzeilen bezüglich der Horizontalen bedingen,
sondern lediglich angeben, daß sich die Sätze von Reihen und
Spaltenlinien schneiden.
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Ein Verfahren zur Erzielung eines Analog-Ansprechverfahrens
verwendet eine Flüssigkristallschicht, die in einer Betriebsart
betrieben wird, die tatsächlich ein binäres optisches
Ansprechverhalten ergibt, wobei diese Flüssigkristallschicht jedoch in
einer Weise angesteuert wird, daß ihr binäres Ansprechverhalten
als analoges Ansprechverfahren erscheint, und zwar als Ergebnis
der Integrationseffekte in dem Auge des Beobachters. Ein
derartiges
Verfahren ist beispielsweise in der EP 0 371 665
beschrieben, die sich insbesondere mit der Vermeidung einer
kumulativen Ladungsunsymmetrie bei ihrer Betriebsart der
Koordinaten-Adressierung ihrer Pixel befaßt. Die vorliegende
Erfindung befaßt sich ebenfalls mit der Vermeidung einer
kumulativen Ladungsunsymmetrie bei der Koordinatenadressierung
der Pixel einer Flüssigkristallschicht, doch wird in diesem
Fall eine Zelle verwendet, die ein vollständig anderes Verfahren
zur Erzielung eines Analog-Ansprechverfahrens verwendet, nämlich
eine Flüssigkristallzelle, bei der das optische
Ansprechverhalten der Flüssigkristallschicht auf ein angelegtes Feld
tatsächlich und wirklich ein optisches Analog-Ansprechverhalten ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Adressierung einer Flüssigkristallzelle 16 mit einer
Koordinatenmatrix von Pixeln geschaffen, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß jede Datenauffrischung der Zelle, deren Pixel ein
optisches Analog-Ansprechverhalten auf das Anlegen einer Analog-
Potentialdifferenz ergeben, in zwei aufeinanderfolgenden Stufen
ausgeführt wird, wobei in einer dieser Stufen die Pixel einzeln
durch das Anlegen von Potentialdifferenzen gesetzt werden, die
das erforderliche Ansprechverhalten erzeugen, während in der
anderen Stufe dieser Stufen im wesentlichen äquivalente
Potentialdifferenzen angelegt werden, wobei diese jedoch in der
entgegengesetzten Richtung angelegt werden.
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Wenn ein bestimmtes Pixel der Matrix, das so gesetzt werden
soll, daß sich ein vorgegebener Pegel des
Analog-Ansprechverhaltens ergibt, so beeinflußt wird, daß sich dieses
Ansprechverhalten durch die Aufrechterhaltung eines bestimmten Pegels
einer einseitig gerichteten Potentialdifferenz längs der Dicke
der Flüssigkristallschicht in dem das Pixel definierenden
Bereich ergibt, so wird das Anlegen dieser Potentialdifferenz
ein Ausmaß der Ladungsunymmetrie an dieser Stelle erzeugen. Wenn
diese Unsymmetrie lange genug fortgesetzt wird, so führt sie zu
einer Ladungsansammlung bis zu dem Grad, daß sich die Gefahr des
Einsatzes einer elektrolytischen Beeinträchtigung der Zelle
ergibt. Diese Gefahr wird durch den Einsatz des zweistufigen
Auffrischungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
vermieden, bei dem eine Stufe, die das Setzen der Pixel auf ihre
erforderlichen Pegel eines Analog-Ansprechverhaltens umfaßt, auf
eine Stufe folgt oder von dieser gefolgt wird, in der die Pixel
auf Pegel eingestellt werden, bei der
Potentialddifferenz-Ansteuerungen die gleichen Größen aufweisen, wie sie zur Erzeugung
der erforderlichen Pegel erforderlich sind, wobei jedoch die
Richtung des Anlegens dieser Potentialdifferenzen umgekehrt ist.
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Es folgt eine Beschreibung von Flüssigkristallbauteilen mit
Rückwandebenen-Koordinatenadressierung und ihrer
Betriebsverfahren, die Ausführungsbeispiele der Erfindung in bevorzugten
Formen darstellen. Die Beschreibung bezieht sich auf die
beigefügten Zeichnungen, in denen:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Flüssigkristallbauteils
mit Rückwandebenen-Koordinatenadressierung ist,
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Fig. 2 einen schematischen Querschnitt der
Flüssigkristallzelle des Bauteils nach Fig. 1 zeigt, und
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Fig. 3 ein Schaltbild der Pixelkissen-Adressieranordnung
ist.
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Gemäß Fig. 3 empfängt eine Datenprozessor 10 ankommende Daten
über eine Eingangsleitung 11 und steuert die Betriebsweise von
Reihen- und Spalten-Adressiereinheiten 12 und 13, die
Eingangssignale an Leitungen 14 und 15 an die Elektroden einer
Flüssigkristallzelle 16 mit Rückwandebenen-Koordinatenadressierung mit
Pixeln liefern, die in einer Koordinatenmatrix von n-Reihen und
m-Spalten angeordnet sind. In dieser Zelle 16 ist eine
hermetische Umschließung für eine Flüssigkristallschicht 20 (Fig. 2)
dadurch gebildet, daß ein transparente vordere Platte 21 über
eine Umfangsdichtung 22 an einer Rückwandplatte 23 befestigt
wird. Kleine (nicht gezeigte) transparente Kugeln mit
gleichförmigem Durchmesser können zwischen den beiden Platten 21 und
23 eingefangen sein, um eine gleichförmige Trennung und damit
eine gleichförmige Flüssigkristallschicht-Dicke
aufrechzuerhalten.
Auf ihrer nach innen gerichteten Oberfläche trägt die
vordere Platte 11 eine transparente Elektrodenschicht 24, die
Vorderwandebenen-Elektrodenschicht, während eine
Koordinatenmatrix von Pixelkissen-Elektroden 25 in ähnlicher Weise von
der nach innen gerichteten Oberfläche der Rückwandplatte 23
getragen wird. Diese beiden nach innen gerichteten Oberflächen
sind so behandelt, daß sie eine bestimmte molekulare
Ausrichtung der mit diesen Oberflächen in Berührung stehenden
Flüssigkristallmoleküle in der gleichen Richtung fördern. Die
Rückwandplatte 23 bildet eine aktive Rückwandebene, mit deren Hilfe
die Pixelkissen 25 einzeln auf einer reihenweisen Grundlage
adressiert werden können. In ihrer aktiven Struktur, die
beispielsweise in einem Monokristall-Silizium ausgebildet
sein kann, enthält diese Rückwandebene die Reihen- und Spalten-
Adressiereinheiten 12 und 13 (Fig. 1), und sie kann zusätzlich
den Datenprozessor 10 enthalten. Der Überlappungsbereich
zwischen der Vorderwandebenen-Elektrodenschicht 24 und einem
einzelnen Pixelkissen 25 definiert ein Pixel der Zelle. Bei
einem Beispiel besteht die Flüssigkristallschicht 20 aus einer
smektischen A-Phase eines ferroelektrischen smektischen
Materials, das den Elektroinklinationseffekt in der smektischen
A-Phase aufweist, wenn es zwischen den beiden Hauptflächen
der das Material umgrenzenden Umschließung eingeschlossen ist.
Bei einem weiteren Beispiel ist die Flüssigkristallschicht 20
eine Schicht eines eine kurze schraubenlinienförmige Ganghöhe
aufweisenden ferroelektrischen Flüssigkristallmaterials, das
den deformierten Schraubenlinieneffekt aufweist, wenn es
zwischen beiden Hauptoberflächen der dieses Material umschließenden
Umhüllung eingeschlossen ist. Die Zelle kann durch einen (nicht
gezeigten) Polarisator hindurch betrachtet werden, um einen
sichbaren Kontrasteffekt zu erzeugen, oder, zumindestens wenn
der deformierte Schraubenlinieneffekt verwendet wird, kann die
Zelle ohne einen Polarisator als ein eine veränderliche
Verzögerungsphase aufweisendes Objekt verwendet werden.
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Das Anlegen einer Potentialdifferenz in einer Richtung längs
der Dicke der Flüssigkristallschicht 20 fördert eine
Analogänderung der Ausrichtung einiger der Flüssigkristallmoleküle.
Hierdurch wird ein Ansprechverhalten erzeugt, das typischerweise
einer potenzierten sinusförmigen Charakteristik folgt. Wenn die
Zelle als einen veränderlichen Kontrast aufweisendes Bauteil
verwendet wird, so ist die Dicke der Schicht gleich einer
ungeradzahligen Anzahl von Viertelwellenlängen dividiert durch die
Doppelbrechung des Flüssigkristallmaterials, und die Schicht
wird über einen (nicht gezeigten) Polarisator betrachtet, dessen
Ausrichtung bezüglich der Oberflächenausrichtungsrichtung so
gewählt werden kann, daß der Betriebspunkt bei einer
Potentialdifferenz von 0 auf einem Maximum oder einem Minimum der
Charakteristik liegt. Unter diesen Umständen erzeugt eine
Umkehrung der Potentialdifferenz das gleiche Ansprechverhalten,
so daß das beabsichtigte optische Ansprechverhalten bei beiden
Stufen der Auffrischung geliefert wird. Der Nachteil dieser
Lösung besteht darin, daß der Gradient der Charakteristik sich
am Punkt einer Potentialdifferenz von 0 beim Wert 0 ändert, so
daß die Empfindlichkeit in diesem Bereich klein ist. Ein
alternativer Arbeitspunkt ist ein Arbeitspunkt, bei dem die
Ausrichtung des Polarisators so gewählt ist, daß sich ein Arbeitspunkt
bei einer Potentialdifferenz von 0 ergibt, der nicht weit von
dem Bereich der Charakteristik entfernt ist, an dem der Gradient
sich seinem Maximalwert nähert. Unter diesen Bedingungen wird
ein relativ großer Bereich von Grauskalenwerten für relativ
kleine Unterschiede der angelegten Potentialdifferenz erzielt.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist zu erkennen, daß ein einzelnes
Gatter 30 jedem Pixelelektrodenkissen 25 zugeordnet ist. Alle
m Gatter einer Reihe von Pixelelektrodenkissen werden durch das
Anlegen eines geeigneten Potentials an eine Reihenelektrode 31
freigegeben, die dieser Reihe zugeordnet ist. Die Gatter 30
werden in einer Reihenfolge unter Verwendung eines
Auftastimpulses freigegeben, der seinerseits von der
Reihenadressiereinheit 12 an die n Reihenelektroden 31 angelegt wird. Die
Freigabe jeder Reihe von Gattern 30 dient zur Verbindung jedes
Pixelelektrodenkissens dieser Reihe mit einer zugehörigen
Spaltenelektrode 32, die mit der Spaltenadressiereinheit 13
verbunden ist.
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Auffrischungsreihen von Daten werden im Digitalformat in einer
reihenweisen Folge in ein m-stufiges Mehrfachbit-Schieberegister
(das nicht getrennt dargestellt ist) in der
Spaltenadresseneinheit 13 unter der Steuerung des Datenprozessors 10 eingegeben.
Jeder Stufe des Schieberegisters ist ein (nicht getrennt
dargestellter) Digital-/Analogwandler zugeordnet, der ein
Analogausgangssignal zur Zuführung an die zugehörige Spaltenelektrode
32 entsprechend des Digitalcodes liefert, der in dieser Stufe
des Schieberegisters gehalten wird. Während die
Auffrischungszeile von Daten in dem Schieberegister gespeichert wird, bewirkt
der Datenprozessor 10, daß die Reihenadresseneinheit
Auftastimpulse an die betreffende Reihenelektrode 31 liefert. Hierdurch
werden vorübergehend die Gatter 30 dieser Reihe freigegeben, so
daß ihre Pixelelektrodenkissen auf die verschiedenen Potentiale
aufgeladen werden, die von den Digital-/Analogwandlern an die
verschiedenen Spaltenelektroden 32 geliefert werden. Am Ende des
Auftastimpulses werden die Gatter 30 auf ihren abgeschalteten
Zustand zurückgestellt, so daß unter Vernachlässigung von
Leckeffekten diese Potentiale an den Kissen verbleiben, bis diese
Gatter erneut freigegeben werden. Weil die Potentiale an den
Kissen verbleiben, muß die Dauer eines Auftastimpulses lediglich
lang genug sein, damit es den Kissen ermöglicht wird, sich auf
ihre erforderlichen Potentiale aufzuladen, und die
Auftastimpulse müssen nicht für die allgemein beträchtlich längere
Zeitperiode aufrechterhalten werden, die erforderlich ist, um das
erforderliche optische Ansprechverhalten in dem Flüssigkristall
zu erzeugen.
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Wenn alle Reihen der Anordnung aufgefrischt wurden und eine
ausreichende Zeit seit der Auftastung der letzten Reihe
vergangen ist, um es den Pixeln zu ermöglichen, anzusprechen, so
ist die Zelle für eine Betrachtung bereit, und die erste Stufe
der Auffrischung wurde abgeschlossen. Die zweite Stufe ist eine
Wiederholung der ersten Stufe, wobei jedoch 'modifizierte' Daten
für jede Reihe von dem Datenprozessor 10 in das Schieberegister
eingegeben werden. Die modifizierten Daten sind derart, daß
bewirkt wird, daß jeder Digital-/Analogwandler einen
"modifizierten" Spannungsausgang liefert, der für den Zugriff auf jedes
Pixel in der zweiten Stufe um den gleichen Betrag oberhalb des
Potentials der Vorderebenenelektrode liegt, wie er unter diesem
Potential beim Zugriff auf dieses Pixel bei der ersten Stufe
lag. Obwohl längs der Pixel in unterschiedlichen Reihen
unterschiedliche Potentiale und für unterschiedliche Zeitperioden
angelegt werden, und zwar in Abhängigkeit davon, wie hoch oben
oder tief unten sie in der Auftastfolge liegen, wird damit jedes
einzelne Pixel einer Potentialdifferenz für eine bestimmte
Zeitperiode unterworfen, die für diese Reihe speziell ist, und
zwar zunächst in einer Richtung und dann später über eine
gleiche Zeitperiode, einer äquivalenten, entgegengesetzt
gerichteten Potentialdifferenz. Am Ende der zweiten Stufe der Auf
frischung wird ein neuer Zyklus der Auffrischung unmittelbar
begonnen, oder alternativ werden alle Pixelelektrodenkissen 25
auf das Potential der Vorderwandebenen-Elektrode 24 entladen. Es
ist zu erkennen, daß es genauso gültig ist, die 'modifizierten'
Daten in der ersten Stufe der Auffrischung einzugeben, anstatt
in der zweiten, jedoch immer vorausgesetzt, daß die die
erforderlichen Analogpegel liefernden Daten dann in der zweiten Stufe
eingeführt werden, anstatt in der ersten.
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Eine spezielle Anwendung für diese Flüssigkristallbauteile mit
Rückwandebenen-Koordinatenadressierung stellt die Verwendung als
das aktive Element eines Matrixvektor-Multiplizierers dar. Bei
einem derartigen Matrixvektor-Multiplexierer ist eine
spaltenförmige Anordnung von n optischen Quellen optisch bezüglich der
Pixel der Koordinatenmatrix der Zelle derart angeordnet, daß das
p-te Element der Spalte von Quellen optisch mit allen m Pixeln
der p-ten Reihe der Koordinatenmatrix gekoppelt ist, während in
ähnlicher Weise eine Reihenanordnung von n-optischen Detektoren
optisch bezüglich der Pixel so angeordnet, daß alle n Pixel der
r-ten Spalte der Koordinatenmatrix optisch mit dem r-ten Element
der Reihe von Detektoren gekoppelt sind. Zweckmäßigerweise wird
ein Polarisations-Strahlteiler in der optischen Kopplung der
Quellen und Detektoren mit der Koordinatenmatrix verwendet, um
die Doppelfunktion der Trennung der Eingangs- und
Ausgangsstrahlen und der Bildung des erforderlichen Polarisators für
das Bauteil zu erzielen.