СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ЗАТВОРОМ
CONTROL METHOD OF FERROELECTRIC LIQUID CRYSTAL GATE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к жидкокристаллическим структурам, а конкретнее, к сегнетоэлектрическим жидкокристаллическим структурам, и может быть использовано для создания высокоскоростных низковольтных оптических модуляторов света, в том числе экономичных по энергопотреблению оптических затворов для активных стереоочков с высокой оптической эффективностью при просмотре стереоизображений малой (миллисекундной) длительности.
Уровень техники
В жидкокристаллических (ЖК) оптических затворах (бинарных амплитудных модуляторах света) работа ЖК слоя, располагаемого между входным и выходным поляризаторами, состоит в изменении состояния поляризации проходящего света под действием управляющего электрического поля, которое возникает в ЖК слое при приложении внешнего управляющего электрического напряжения к прозрачным электродам, примыкающим к ЖК слою с обеих сторон.
Осуществление способов управления ЖК элементами (оптическими затворами) не должно приводить к деградации свойств ЖК слоев при долговременной работе. Наиболее существенный фактор деградации - образование ионов в ЖК слое [1-3]. Если в ЖК слое в течение достаточно длительного времени протекает постоянный электрический ток, то ионы в первую очередь могут возникнуть из-за электролиза посторонних примесей в ЖК веществе. Ионы также могут возникать при протекании постоянного тока и в чистом ЖК веществе; источниками ионов могут быть ориентирующие диэлектрические слои, примыкающие к ЖК слою. При достаточно большой концентрации ионов создаваемый ими объемный заряд существенно искажает конфигурацию силовых линий управляющего электрического поля в ЖК слое, что приводит к нарушению работы ЖК затвора вплоть до полного прекращения его работы при достаточно большом объеме ионного заряда.
Для недопущения деградации ЖК слоев необходимо в процессе управления ЖК затвором обеспечивать нулевое среднее значение постоянного тока в ЖК слое за достаточно короткий период времени (сравнимый со временем переключения ЖК затвора из состояния с максимальным оптическим пропусканием и обратно).
Известен способ [4] управления нематическим жидкокристаллическим (НЖК) затвором, заключающийся в том, что в последовательных тактах управления получают чередующиеся между собой значения максимального и минимального оптического пропускания НЖК затвора, подавая на его электрический вход управляющее электрическое напряжение с выхода электронного блока управления, при этом в (2n-1)-х и (2n+1)-х тактах для получения максимального значения оптического пропускания НЖК затвора на его электрический вход подают управляющее напряжение первого (минимального или нулевого) уровня соответственно положительной и отрицательной полярности, а в (2n)-х и (2n+2)-х тактах для получения нулевого значения оптического пропускания НЖК затвора на его электрический вход подают управляющее напряжение второго (максимального) уровня соответственно положительной и отрицательной полярности.
Известный способ обеспечивает нулевой средний постоянный ток сквозь НЖК слой за 4 такта работы, в течение которых на НЖК слой действуют первая и вторая пара разнополярных уровней напряжения, соответствующих первому (максимальному) и второму (минимальному) значению оптического пропускания НЖК затвора. Такой способ управления с нулевым усредненным напряжением за 4 такта работы основан на том факте, что НЖК слой является неполярным, поскольку НЖК затвор меняет величину оптического пропускания при изменении только уровня управляющего напряжения независимо от его полярности.
Однако этот известный способ управления не подходит для сегнетоэлектрических жидкокристаллических (СЖК) затворов, поскольку СЖК слой является полярным, т.е. его оптическое состояние меняется только при изменении полярности приложенного напряжения с уровнем, превышающим порог срабатывания СЖК затвора.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ [5] управления СЖК затвором, заключающийся в том, что в последовательных тактах управления получают чередующиеся значения максимального и минимального оптического пропускания СЖК затвора, подавая на его электрический вход управляющее электрическое напряжение с выхода электронного блока управления, при этом в (2n-1)-х тактах для получения максимального значения оптического пропускания СЖК затвора на его электрический вход подают информационный сигнал с первой (положительной) полярностью, а в (2n)-х тактах для получения минимального значения оптического пропускания СЖК затвора на его электрический вход подают запирающий сигнал со второй (отрицательной) полярностью, причем потенциал общего входа СЖК затвора устанавливают равным нулевому потенциалу общего выхода электронного блока управления.
Известный способ характеризуется недостаточными функциональными возможностями: нулевой средний уровень управляющего электрического напряжения достигается только при работе с одинаковыми длительностями информационного и запирающего электрических сигналов одинаковой формы. При различающихся между собой длительностях (формах) информационного и запирающего сигналов известный способ не позволяет обеспечить нулевое среднее значение постоянного тока сквозь слой СЖК за любое число последовательных тактов. Например, при использовании оптического затвора в стереоочках при наблюдении стереоизображений с помощью ЖК мониторов в распространенной компьютерной системе 3D Vision [6] время генерации световых потоков ракурсных изображений составляет около 3 мс при кадровой частоте 100 Гц. Следовательно, при формальной длительности каждого кадра в 10 мс смена информации изображений между кадрами занимает 7 мс из-за специфики работы стереоскопических ЖК мониторов с последовательным воспроизведением ракурсных изображений. Во время смены изображений оба затвора стереоочков должны быть закрытыми, чтобы не ухудшать контраст стереоизображения, воспроизводимого в течение оставшихся 3 мс каждого кадра. Поскольку время открытого состояния каждого оптического затвора стереоочков составляет 3 мс, а время закрытого состояния - 7 мс, то для СЖК-затвора в этом случае длительность управляющего электрического сигнала с одной полярностью (обеспечивающей открытое состояние затвора) будет более чем в два раза короче длительности управляющего электрического сигнала с противоположной полярностью (обеспечивающей закрытое состояние затвора). Поэтому среднее значение тока через СЖК затвор будет существенно отличаться от нуля, что приведет вследствие деградации СЖК (из-за накопления ионного заряда) сначала к ухудшению качества стереоизображения, а впоследствии - к полному прекращению работы СЖК затвора из-за блокировки поля управляющего электрического напряжения полем постоянного ионного заряда в слое СЖК.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения его работы с произвольной длительностью информационного сигнала.
Поставленная задача в способе управления СЖК затвором, заключающемся в том, что в последовательных тактах управления получают чередующиеся между собой значения максимального и минимального оптического пропускания СЖК затвора, подавая на его электрический вход управляющее электрическое напряжение с выхода электронного блока управления, при этом в (2n-1)-х тактах для получения максимального значения оптического пропускания СЖК затвора на его электрический вход подают информационный сигнал с первой (положительной) полярностью, а в (2n)-х тактах для получения минимального значения оптического пропускания СЖК затвора на его электрический вход подают запирающий сигнал со второй (отрицательной) полярностью, а потенциал общего входа СЖК затвора устанавливают равным нулевому потенциалу общего выхода электронного блока управления, решается тем, что запирающий сигнал имеет вид последовательности N электрических запирающих импульсов, параметры которых удовлетворяют трем условиям.
Первое условие - для произвольного (i-го) запирающего электрического импульса длительность  выбрана больше времени  переходного оптического отклика СЖК затвора на ступенчатое изменение амплитуды управляющего сигнала. Это обеспечивает переход СЖК затвора в требуемое закрытое состояние (с минимальным оптическим пропусканием) в течение действия каждого запирающего импульса.
Второе условие - интервал времени  между соседними (i и i+1) запирающими импульсами выбран меньше времени  переходного оптического отклика СЖК элемента на ступенчатое изменение амплитуды управляющего сигнала. Это условие соответствует отсутствию выхода слоя СЖК из состояния с минимальным оптическим пропусканием во временном промежутке между двумя соседними запирающими импульсами.
Третье условие - интеграл от суммы функций, описывающих формы (мгновенные амплитуды в зависимости от времени) всех запирающих импульсов, равен по величине интегралу от функции, описывающей форму (мгновенную амплитуду) информационного сигнала. Это условие достигается подбором уровня мгновенной амплитуды информационного сигнала и уровней (формы) запирающих импульсов с учетом того, что выше определенных мгновенных уровней информационного или запирающего сигналов достигается максимальная или минимальная величины оптического пропускания, не меняющиеся при дальнейшем увеличении этих уровней.
Варьирование в указанных пределах уровней информационного сигнала и запирающих импульсов позволяет найти баланс, обеспечивающий интегральное усреднение действия на слой СЖК положительного (информационного) и отрицательного (запирающего) электрических сигналов управления.
В итоге поставленная задача решается путем достижения технического результата, заключающегося в обеспечении нулевого среднего значения управляющего напряжения на СЖК затворе за каждый полный период его переключения (включающий в себя получение максимального и минимального оптических состояний СЖК затвора). Поэтому при осуществлении способа постоянный электрический ток не возникает в слое СЖК, и поэтому нет нарушений в требуемом функционировании СЖК затвора при сколь угодно долгой его работе при любой длительности информационного сигнала.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей, на фигурах которых представлены:
Фиг. 1 - электрическая схема соединения СЖК затвора с блоком управления.
Фиг. 2 - оптическая схема СЖК затвора.
Фиг. 3 - диаграммы управляющих электрических сигналов и оптического отклика СЖК затвора.
Фиг. 4, 5 - варианты формы электрических запирающих импульсов прямоугольной и произвольной формы.
Подробное описание изобретения
1
2
1
2
in
out
СЖК
СЖК
control
control
out
in
СЖК затвор 1 (фиг. 1, 2) содержит слой 2 СЖК, размещенный между прозрачными электродами 3 и 3, нанесенными на внутренние стороны оптических (стеклянных) подложек 4 и 4, на внешних сторонах которых размещены входной и выходной взаимно ортогональные линейные поляризаторы P и P. Сигнальный вход S и общий вход G СЖК затвора соединены соответственно с сигнальным S и общим G выходами блока 5 управления. Величина оптического пропускания СЖК затвора 1 определяется величиной выходной J интенсивности света по отношению к величине входной J интенсивности.
max
min
max
СЖК
control
min
СЖК
i
СЖК
conlrol
Способ управления СЖК затвором заключается в том, что в последовательных тактах работы получают чередующиеся между собой значения максимального O и минимального O оптического пропускания СЖК затвора (фиг. 3), при этом в нечетных (2n-1)-х тактах для получения максимального значения O оптического пропускания на сигнальный вход S СЖК затвора 1 подают информационный электрический сигнал s(t) положительной полярности с сигнального выхода S блока 5 управления, а для получения минимального (нулевого) значения O оптического пропускания в течение остального времени нечетных (2n-1) тактов и в течение полного времени четных (2n)-х тактов на сигнальный вход S СЖК затвора 1 подают запирающий сигнал в виде последовательности N импульсов отрицательной полярности, из которых i-й импульс (i=1, 2, …, N) описывается функцией g(t). При этом потенциал общего входа G СЖК затвора во всех тактах устанавливают равным нулевому потенциалу общего выхода G блока 5 управления, а параметры информационного и запирающего электрических сигналов удовлетворяют соотношениям
СЖК
где l - порог срабатывания СЖК затвора под действием амплитуды электрического управляющего сигнала независимо от его полярности,  - длительность i-го электрического запирающего импульса,  - время переходного оптического отклика СЖК затвора на скачкообразное изменение амплитуды электрического управляющего сигнала,  - интервал времени между соседними (i)-м и (i+1)-м электрическими запирающими импульсами.
На фиг. 4 и 5 представлены примеры запирающих электрических импульсов, в том числе импульсов  с непрямоугольной формой.
F
СЖК
i
l
При осуществлении способа соотношения между длительностями процессов в слое СЖК и параметрами (длительностями и амплитудами) управляющих электронных сигналов, приведенные в соотношениях (1)-(3), обеспечивают требуемый функционал амплитудной модуляции световых потоков при чередовании неравных между собой по длительности открытого и закрытого состояний СЖК затвора с обеспечением нулевого среднего (за общий период T электронного сигнала управления) электрического тока. Действительно, первое условие в соотношении (1) означает открытие СЖК затвора во время действия информационного электрического сигнала s(t), поскольку его мгновенная амплитуда превосходит порог срабатывания  СЖК затвора. Из второго условия соотношения (1) и из соотношения (2) следует, что СЖК затвор под действием дискретного набора электрических запирающих импульсов переходит в практически непрерывное оптическое закрытое состояние, поскольку второе условие в соотношении (1) и первое условие в соотношении (2) обеспечивает переход СЖК затвора в закрытое состояние в течение действия мгновенной амплитуды g(t) произвольного (i-го) запирающего импульса, а второе условие в соотношении (2) означает поддержание СЖК затвора в закрытом состоянии в промежутках времени  между произвольными соседними (i и i+1) запирающими электрическими импульсами.
F
F
Выполнение соотношения (3) означает, что площадь под огибающей информационного управляющего сигнала s(t) c положительной полярностью равна площади под общей огибающей всей совокупности  дискретных запирающих импульсов с отрицательной полярностью. Варьирование уровнями информационного и запирающего электрических сигналов при выполнении соотношения (1) и варьирование длительностями и уровнями электрических запирающих импульсов при выполнении соотношения (2) математически обеспечивает выполнение соотношения (3). Выполнение соотношения (3) означает равенство средних (за период T управляющего электронного сигнала) значений энергии электрического поля, возникающих в слое СЖК под действием электрического управляющего напряжения положительной и отрицательной полярностей при точном воспроизведении оптическим откликом СЖК затвора требуемой формы электрического информационного сигнала. Соответствующий средний ток через слой СЖК равен нулю за каждый период T управляющего электрического сигнала, что обеспечивает бесперебойную работу СЖК затвора вследствие отсутствия в нем постоянного объемного электрического заряда.
В итоге решена задача расширения функциональных возможностей способа за счет обеспечения его работы с произвольной длительностью информационного сигнала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dahl I., Lagerwall S.Т., Skarp K. Simple model for the polarization reversal current in a ferroelectric liquid crystal // Physical Review A. 1987. - V. 36. - №9. - P. 4380-4390.
2. Perlmutter S.H., Doroski D., Moddel G. Degradation of liquid crystal device performance due to selective adsorption of ions // Appl. Phys. Lett. - 1996. - V. 69. - №9. - P. 1182-1184.
3. Neyts K., Beunis F. Ion transport and switching currents in smectic liquid crystal devices // Ferroelectrics. - 2006. - V. 344. - №1. - P. 255-266.
4. Lipton L., Ackerman M. Liquid crystal shutter system for stereoscopic and other applications // Патент США №4967268, опубл. 30.10.1990.
5. Патент РФ №2512095, опубл. 10.04.2014.
6. Патент США №7724211, опубл. 25.05.2010.