RU2318297C1 - Matrix element of plane-panel screen - Google Patents

Abstract

FIELD: hardware of plane-panel screen, applicable in matrices of plane-panel screens and TV sets.

SUBSTANCE: its own light-emitting diode of which flow is introduced for every three cells, each of the three cells of the light-emitting diode is transformed to emission of its own color respectively to its 8-digit code by light semi-transparent micromirrors, the emissions of three colors R, G, B are summed up the pickle image of the respective color tone on the screen.

EFFECT: obtained trustworthy color rendition of 16777216 color ues and reduced after-image of the cells in the matrix element down to one hundred of nanoseconds.

3 dwg

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к аппаратным средствам плоскопанельных экранов и может быть использовано в матрицах экранов мониторов персональных компьютеров /ПК/ и телевизоров.The invention relates to hardware flat panel screens and can be used in matrixes of screens of monitors of personal computers / PCs / and televisions.

За прототип принят элемент матрицы плоскопанельного экрана, выполненного по технологии жидких кристаллов ЖК-экран [с.486-489], и представляющий совокупность элементов из ЖК-ячеек. Каждый элемент ЖК-матрицы образован тремя тонкопленочными транзисторами и триадой /тремя/ управляемых ими ЖК-ячеек [2, с.477].The prototype was taken as an element of a matrix of a flat-panel screen made by liquid crystal technology LCD screen [p. 486-489], and representing a collection of elements from LCD cells. Each element of the LCD matrix is formed by three thin-film transistors and a triad / three / LCD cells controlled by them [2, p. 477].

Каждая ячейка представляет электронно-управляемый светофильтр одного из цветов R, G, В. ЖК-ячейка не генерирует свет, а лишь управляет интенсивностью проходящего света. Принцип действия основан на эффекте поляризации световой волны. При отсутствии внешнего электрического поля поступающий в ЖК-ячейку свет проходит ее. При подаче на подложки ячейки напряжения между ними возникает электрическое поле [2, с.474], молекулы вещества распологаются параллельно силовым линиям поля. Плоскость поляризации света не совпадает с плоскостью поляризации анализатора, ЖК-ячейка становится непрозрачной. Для получения цветного изображения каждая ЖК-ячейка триады снабжена одним из цветных светофильтров R, G, B. Каждая триада ЖК-ячеек формирует изображение одного цветового пиксела /точки/. Разрешающая способность ЖК-экрана соответствует числу триад ЖК-ячеек в матрице экрана, размер ЖК-ячейки 0,25·0,25 мм [1, c.490]. Размер триады, т.е. элемента матрицы 0,75·0,25 мм [1, с.489. рис.].Each cell represents an electronically controlled filter of one of the colors R, G, B. The LCD cell does not generate light, but only controls the intensity of the transmitted light. The principle of operation is based on the polarization effect of a light wave. In the absence of an external electric field, the light entering the LCD cell passes through it. When a voltage is applied to the cell substrates between them, an electric field appears [2, p. 474], the molecules of the substance are arranged parallel to the field lines of force. The plane of polarization of light does not coincide with the plane of polarization of the analyzer, the LCD cell becomes opaque. To obtain a color image, each LCD cell of the triad is equipped with one of the color filters R, G, B. Each triad of LCD cells forms an image of one color pixel / point /. The resolution of the LCD screen corresponds to the number of triads of LCD cells in the matrix of the screen, the size of the LCD cell 0.25 · 0.25 mm [1, p. 490]. The size of the triad, i.e. matrix element 0.75 · 0.25 mm [1, p. 489. fig.].

Недостатками прототипа-элемента матрицы из триады ЖК-ячеек являются невозможность точно управлять положением жидкого кристалла соответственно коду цветового сигнала, снижение достоверности цветопередачи на экране [3, с.145], высокая инерционность реакции ЖК-ячейки на управляющий сигнал: наименьшее время отклика 10 нс [4, с.357, 360] ограничивает частоту кадров, которая для получения стереоизображения должна быть в два раза выше, ограниченные размеры ЖК-экранов, обусловленные технологией их изготовления [2, с.476], "недостаточно черный" черный цвет на экране из-за пропуска ячейками света от ламп подсветки и при закрытых ячейках [5, с.2].The disadvantages of the prototype matrix element from the triad of LCD cells are the inability to accurately control the position of the liquid crystal according to the color signal code, the decrease in the reliability of color rendering on the screen [3, p.145], the high inertia of the reaction of the LCD cell to the control signal: the shortest response time 10 ns [4, p.357, 360] limits the frame rate, which must be twice as high for stereo imaging, the limited size of LCD screens due to the technology of their manufacture [2, p.476], "not black enough" black color on the screen due to the passage by the cells of light from the backlight and when the cells are closed [5, p.2].

Цель изобретения - повышение достоверности цветопередачи элементами матрицы соответственно кодов цветовых сигналов и снижение инерционности элементов матрицы при управлении.The purpose of the invention is to increase the reliability of color rendering by matrix elements, respectively, codes of color signals and to reduce the inertia of the matrix elements during control.

Результатом являются получение цветопередачи в 16777216 оттенков цветов и снижение инерционности ячеек до сотни наносекунд. Результат достигается введением для каждых трех ячеек, составляющих элемент матрицы, своего светодиода белого свечения, преобразованием каждой из трех ячеек белого излучения светодиода в излучение своего цвета соответственно его 8-разрядного кода восемью полупрозрачными микрозеркалами и суммированием излучений трех цветов R, G, B, В от 24-х полупрозрачных микрозеркал в изображение пиксела соответствующей формы, размера и цветового тона на экране.The result is a color rendering in 16777216 shades of colors and a decrease in the inertia of the cells to hundreds of nanoseconds. The result is achieved by introducing for each three cells that make up the matrix element, its own white LED, converting each of the three white cells of the LED into its own color, respectively, its 8-bit code with eight translucent micromirrors and summing the three-color radiation R, G, B, B from 24 translucent micromirrors to a pixel image of the corresponding shape, size and color tone on the screen.

Заявляемый элемент матрицы состоит из светодиода белого излучения, трех ячеек, объединенных в одном непрозрачном корпусе, каждая из ячеек включает микролинзу, являющуюся микрообъективом, цветной светофильтр и расположенные против него последовательно друг за другом полупрозрачные микрозеркала, число которых соответствует числу разрядов в коде, и общее зеркало, принимающее отраженные от всех полупрозрачных микрозеркал цветовые лучи и направляющее суммарное излучение в выходную микролинзу элемента матрицы, формирующую изображение пиксела.The inventive matrix element consists of a white light emitting diode, three cells combined in one opaque body, each cell includes a microlens, which is a micro lens, a color filter and translucent micromirrors located opposite it one after another, the number of which corresponds to the number of bits in the code, and the total a mirror that receives color rays reflected from all translucent micromirrors and directs the total radiation to the output microlens of the matrix element, which forms the image pi Xela.

Сущность изобретения в том, что в элемент матрицы, содержащий три ячейки, введен источник белого свечения - светодиод, три ячейки объединены в непрозрачном корпусе, каждая из ячеек включает последовательно расположенные микролинзу и соответствующий цветной светофильтр и расположенные против него последовательно друг за другом полупрозрачные микрозеркала, число которых в каждой ячейке соответствует числу разрядов в коде /8 шт/, пьезоэлементы по числу полупрозрачных микрозеркал /8 шт/, один торец каждого пьезоэлемента закреплен неподвижно в корпусе элемента матрицы и имеет первый и второй управляющие входы, второй подвижный торец присоединен соответствующим образом к краю своего полупрозрачного микрозеркала, введено общее зеркало и выходная микролинза, в фокальной плоскости которой расположено общее зеркало, каждое полупрозрачное микрозеркало имеет два фиксированных положения: в первом положении полупрозрачные микрозеркала ячейки оптически соединены сквозь друг друга, через цветной светофильтр и свою микролинзу с излучающей стороной светодиода, во втором положении каждое полупрозрачное микрозеркало оптически соединяет светодиод с общим зеркалом.The essence of the invention is that a white glow source - an LED is introduced into the matrix element containing three cells, three cells are combined in an opaque housing, each of the cells includes a microlens and a corresponding color filter and translucent micromirrors located opposite it one after another, the number of which in each cell corresponds to the number of bits in the code / 8 pcs /, piezoelectric elements according to the number of translucent micromirrors / 8 pcs /, one end of each piezoelectric element is fixed in the housing of the matrix element and has first and second control inputs, the second movable end is connected appropriately to the edge of its translucent micromirror, a common mirror and an output micro lens are introduced, in the focal plane of which there is a common mirror, each translucent micromirror has two fixed positions: in the first position translucent micromirrors of the cell are optically connected through each other, through a color filter and its microlens with the emitting side of the LED, in the second position each translucent micromirror optically connects the LED to a common mirror.

Общий вид справа элемента матрицы - на фиг.1, входной и выходной торцы элемента матрицы - на фиг.2, схема отдельно верхней ячейки - на фиг.3, вид сверху.A general view of the matrix element from the right is shown in FIG. 1, the input and output ends of the matrix element are shown in FIG.

Элемент матрицы /фиг.1/ включает светодиод 1 белого излучения, первую 2, вторую 3, третью 4 микролинзы соответственно первой, второй и третьей ячеек, красный светофильтр 5 в первой ячейке, зеленый светофильтр 6 во второй ячейке, синий светофильтр 7 в третьей ячейке, с 1-го по 8-й полупрозрачные микрозеркала первой ячейки, с 1-го по 8-й полупрозрачные микрозеркала 9 второй ячейки, с 1-го по 8-й полупрозрачные микрозеркала 10 третьей ячейки, с первого по восьмой пьезоэлементы 11 в каждой ячейке /фиг.3/, каждый пьезоэлемент имеет первый и второй управляющие входы, общее зеркало 12, выходную микролинзу 13, в передней фокальной плоскости которой расположено общее зеркало 12, и непрозрачный корпус 14 элемента матрицы, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда.The matrix element / Fig. 1/ includes awhite LED 1, first 2, second 3, third 4 microlenses of the first, second and third cells, respectively,red filter 5 in the first cell, green filter 6 in the second cell, blue filter 7 in the third cell , from the 1st to the 8th translucent micromirrors of the first cell, from the 1st to 8th translucent micromirrors of the second cell, from the 1st to 8th translucent micromirrors of the third cell, from the first to the eighthpiezoelectric elements 11 in each cell / Fig. 3/, each piezoelectric element has a first and second control input odes, acommon mirror 12, anoutput microlens 13, in the front focal plane of which acommon mirror 12 is located, and an opaquematrix element body 14 having the shape of a rectangular parallelepiped.

Принцип действия ячейки основан на том, что каждое впереди расположенное полупрозрачное микрозеркало 8 /9, 10/ пропускает на следующее за ним поток излучения, ослабленный в два раза, что соответствует принципу двоичного кода. Для полупрозрачных микрозеркал применяется светоделительное покрытие, выполняющее отношение отраженного излучения к пропущенному как 1:0,5, т.е. каждое микрозеркало 8 /9, 10/ пропускает поток излучения в 50% от отраженного потока [6, с.223]. Для исключения посторонних отражений /световых помех/ на общее зеркало 12 в корпусе элемента матрицы 14 стенки его имеют светопоглащающее покрытие. Ячейки работают идентично. Излучающая плоскость светодиода 1 расположена в фокальных плоскостях микролинз 2, 3, 4. Излучение светодиода 1 собирается каждой микролинзой 2, 3, 4 ячеек и через свои цветные светофильтры 5, 6, 7 поступает на первые полупрозрачные микрозеркала 8, 9, 10. В отсутствие управляющих сигналов на входах пьезоэлементов 11 микрозеркала находятся в первом фиксированном положении. Поток излучения после цветного светофильтра 5 /фиг.3/ проходит сквозь все восемь полупрозрачных зеркал, но не отражается на общее зеркало 12. Каждое полупрозрачное микрозеркало в ячейке ослабляет проходящий через него поток в 2 раза. После первого микрозеркала поток ослабляется в 2 раза, после второго - в 4 раза, после третьего - в 8 раз, четвертого - в 16 раз, пятого - в 32 раза, шестого - в 64 раза и после седьмого в 128 раз, выполняется порядок двоичного кода. При поступлении кода цветового сигнала с блока, формирующего управляющие сигналы для пьезоэлементов трех ячеек, на управляющие входы пьезоэлементов 11 поступают управляющие сигналы длительностью, равной длительности кадра, по амплитуде, равной рабочему напряжению срабатывания пьезоэлемента 11. Исполнительным перемещением пьезоэлемента является изгиб. В качестве пьезоэлементов применяются трубчатые пьезоэлементы, работающие на изгиб. Достоинство их -прочность и надежность [7, с.27]. При изгибе свободный конец пьезоэлемента перемещается на соответствующее число микрометров и переводит свое полупрозрачное микрозеркало во второе положение, при котором отраженное излучение с него поступает на общее зеркало 12, а 50% излучения проходит как и прежде сквозь микрозеркало на следующее за ним. Первая ячейка выполняет преобразование "код R - яркость красного цвета", вторая ячейка, выполняет преобразование "код G - яркость зеленого цвета", третья - "код B - яркость синего цвета". Полупрозрачные микрозеркала трех ячеек, на пьезоэлементы которых поступили управляющие сигналы, переходят во второе положение и направляют отраженные излучения трех цветовых сигналов на общее зеркало 12, расположенное в фокальной плоскости выходной микролинзы 13, которая производит сбор суммарного результирующего излучения с общего зеркала 12 и формирует изображение пиксела соответствующего цветового тона на стекле экрана монитора или телевизора. Вариант размеров элементов матрицы: диаметры микролинз 2, 3, 4 приняты по 0,25 мм, цветных светофильтров 0,25 мм, размер полупрозрачных микрозеркал 0,2·0,2 мм, размер общего зеркала 12 0,5·0,5 мм, размер торцов корпуса элемента матрицы 0,8·0,8 мм. Длина корпуса определяется расстоянием от последнего полупрозрачного зеркала до микролинзы 2 /3, 4/ и составит до 2 см. Число элементов матриц в экране с разрешением 1920·1080 составит 2073600 штук. Исполнение элементов матрицы и их юстировка требуют высокой точности и методов нанотехнологии, как, например, в [2, с.531].The principle of operation of the cell is based on the fact that eachtranslucent micromirror 8/9, 10 / located in front of them passes a radiation stream that is weakened by half to the next one, which corresponds to the principle of a binary code. For translucent micromirrors, a beam splitting coating is used, which fulfills the ratio of reflected radiation to transmitted radiation as 1: 0.5, i.e. eachmicromirror 8/9, 10 / transmits a radiation flux of 50% of the reflected flux [6, p.223]. To exclude extraneous reflections / light interference / on thecommon mirror 12 in the housing of the element of thematrix 14, its walls have a light-absorbing coating. Cells work identically. The emitting plane ofLED 1 is located in the focal planes ofmicrolenses 2, 3, 4. The radiation ofLED 1 is collected by each microlens of 2, 3, 4 cells and through itscolor filters 5, 6, 7 enters the firsttranslucent micromirrors 8, 9, 10. In the absence of control signals at the inputs of thepiezoelectric elements 11 micromirrors are in the first fixed position. The radiation flux after thecolor filter 5/3 / passes through all eight translucent mirrors, but is not reflected in thecommon mirror 12. Each translucent micromirror in the cell attenuates the flow passing through it by 2 times. After the first micromirror, the flow attenuates 2 times, after the second - 4 times, after the third - 8 times, the fourth - 16 times, the fifth - 32 times, the sixth - 64 times and after the seventh 128 times, the binary order code. Upon receipt of the color signal code from the block generating the control signals for the piezoelectric elements of three cells, the control inputs of thepiezoelectric elements 11 receive control signals of a duration equal to the frame duration in amplitude equal to the operating voltage of the operation of thepiezoelectric element 11. The bend is the executive movement of the piezoelectric element. As piezoelectric elements, tubular piezoelectric elements working in bending are used. Their advantage is strength and reliability [7, p.27]. During bending, the free end of the piezoelectric element moves to the corresponding number of micrometers and transfers its translucent micromirror to the second position, in which the reflected radiation from it enters thecommon mirror 12, and 50% of the radiation passes through the micromirror as before before to the next one after it. The first cell performs the conversion "code R is the brightness of red color", the second cell performs the conversion "code G is the brightness of green color", the third - "code B is the brightness of blue color". The semitransparent micromirrors of three cells, on the piezoelectric elements of which control signals were received, go into the second position and direct the reflected radiation of three color signals to acommon mirror 12 located in the focal plane of theoutput microlens 13, which collects the total resulting radiation from acommon mirror 12 and forms a pixel image the corresponding color tone on the glass of the monitor screen or TV. A variant of the sizes of the matrix elements: the diameters ofmicrolenses 2, 3, 4 are taken at 0.25 mm, the color filters are 0.25 mm, the size of the translucent micromirrors is 0.2 · 0.2 mm, the size of the common mirror is 12 0.5 · 0.5 mm , the size of the ends of the housing of the matrix element 0.8 · 0.8 mm The length of the body is determined by the distance from the last translucent mirror to themicrolens 2/3, 4 / and will be up to 2 cm. The number of matrix elements in the screen with a resolution of 1920 · 1080 will be 2073600 pieces. The execution of the matrix elements and their adjustment require high precision and nanotechnology methods, as, for example, in [2, p.531].

Работа элемента матрицы.The work of the matrix element.

В отсутствии управляющих сигналов полупрозрачные микрозеркала находятся в первом положении, излечение светодиода 1 /фиг.3/ проходит сквозь все полупрозрачные микрозеркала и не отражается от них на общее зеркало 12. При поступлении кода цветового сигнала на управляющие входы пьезоэлементов 11, соответствующих единицам в разрядах кода, поступают управляющие сигналы требуемой амплитуды и длительности, равной длительности кадра. Свободные торцы пьезоэлементов 11 /фиг.3/ под воздействием вправляющих напряжений изгибаются и поворачивают свои микрозеркала на угол, необходимый для отражения излучений светодиода на общее зеркало 12. С зеркала 12 суммарное излучение собирается выходной микролинзой 13, формирующей форму и размер пиксела на стекле экрана. В отсутствии управляющего напряжения пьезоэлемент 11 возвращает свое полупрозрачное микрозеркало в первое положение.In the absence of control signals, the translucent micromirrors are in the first position, the cure of theLED 1 / Fig. 3/ passes through all the translucent micromirrors and is not reflected from them on thecommon mirror 12. Upon receipt of the color signal code to the control inputs of thepiezoelectric elements 11, corresponding to units in the code bits , control signals of the required amplitude and duration equal to the duration of the frame are received. The free ends of thepiezoelectric elements 11 / Fig. 3/ bend and adjust their micromirrors to the angle necessary to reflect the radiation of the LED on thecommon mirror 12. From themirror 12, the total radiation is collected by theoutput micro lens 13, which forms the shape and size of the pixel on the glass of the screen. In the absence of control voltage, thepiezoelectric element 11 returns its translucent micromirror to the first position.

Заявляемый элемент матрицы, выполняя преобразование "код - яркость излучения", обеспечивает получение оттенков цветов, наиболее приближенных к расчетному значению 16777216, реакция на управляющий сигнал уменьшается практически до нуля и не ограничивает размеры плоскопанельных экранов в большую сторону.The inventive matrix element, performing the code-to-radiation brightness conversion, provides shades of colors that are closest to the calculated value of 16777216, the response to the control signal is reduced to almost zero and does not limit the size of flat-panel screens up.

Использованные источникиUsed sources

1. В.И.Мураховский. Устройство компьютера. М., 2003, с.486-490, прототип.1. V.I. Murakhovsky. Computer device. M., 2003, S. 486-490, prototype.

2. Колесниченко О.В, Шишигин И.В. Аппаратные средства РС. 5-е издание, СПб, 2004, с.476-477, 473-474, 531.2. Kolesnichenko O.V., Shishigin I.V. PC hardware. 5th edition, St. Petersburg, 2004, p. 476-477, 473-474, 531.

3. Энциклопедический справочник. Персональный компьютер. М., 2004, Евсеев и др., с.145.3. Encyclopedic reference. Personal Computer. M., 2004, Evseev et al., P. 145.

4. В.Мураховский. Железо компьютера. Новые возможности. СПб, "Питер", 2005, с.357, 360.4. V. Murakhovsky. Computer hardware. New opportunities. St. Petersburg, Peter, 2005, p. 357, 360.

5. "Домашний компьютер" № 1, 2006, с.2.5. "Home computer" No. 1, 2006, p.2.

6. Б.Н.Бегунов, Н.П.Заказов. Теория оптических систем. М., 1973, с.223.6. B.N. Begunov, N.P. Zakazov. Theory of optical systems. M., 1973, p.223.

7. А.Ф.Плонский, В.И.Теаро. Пьезоэлектроника. М., 1979, с.26, 27, 19 строка снизу.7. A.F. Plonsky, V.I. Thearo. Piezoelectronics. M., 1979, p.26, 27, 19 line from the bottom.

8. И.В.Фридлянд, В.Г.Сошников. Системы автоматического регулирования в устройствах видеозаписи. М., 1988, с.118-122.8. I.V. Fridlyand, V.G. Soshnikov. Automatic control systems in video recording devices. M., 1988, p.118-122.

Claims (1)

Translated fromRussian

Элемент матрицы плоскопанельного экрана, содержащий три ячейки, отличающийся тем, что в него введен источник излучения - светодиод, три ячейки объединены в непрозрачный корпус формой прямоугольного параллелепипеда, ячейки расположены в корпусе друг над другом, каждая включает последовательно расположенные микролинзу и соответствующий цветной светофильтр и расположенные против него последовательно друг за другом полупрозрачные микрозеркала по числу разрядов в коде, включает пьезоэлементы по числу полупрозрачных микрозеркал, один торец каждого пьезоэлемента закреплен неподвижно в корпусе элемента матрицы и имеет первый и второй управляющие входы, второй подвижный торец соответствующим образом прикреплен к своему полупрозрачному микрозеркалу, в элемент матрицы введены общее зеркало и в выходном торце корпуса выходная микролинза, в передней фокальной плоскости которой расположено общее зеркало, каждое полупрозрачное микрозеркало имеет два фиксированных положения: в первом положении полупрозрачные микрозеркала ячейки оптически соединены сквозь друг друга, через цветной светофильтр и свою микролинзу с излучающей стороной светодиода, во втором положении каждое полупрозрачное микрозеркало оптически соединяет светодиод с общим зеркалом.The matrix element of a flat-panel screen containing three cells, characterized in that a radiation source is inserted into it - an LED, three cells are combined into an opaque case in the form of a rectangular parallelepiped, the cells are located in the case one above the other, each includes a microlens and a corresponding color filter arranged in series and located against it, sequentially one after another, translucent micromirrors according to the number of bits in the code, includes piezoelectric elements according to the number of translucent micromirrors, one Each piezoelectric element is fixedly fixed in the matrix element housing and has first and second control inputs, the second movable end is appropriately attached to its translucent micromirror, a common mirror is introduced into the matrix element, and an output microlens in the output end face of the housing, in which there is a common mirror in the front focal plane , each translucent micromirror has two fixed positions: in the first position, the translucent micromirrors of the cell are optically connected through each other, through color filter and its microlens with the emitting side of the LED, in the second position, each translucent micromirror optically connects the LED to a common mirror.

Images