DE69632290T2

DE69632290T2 - Elektrooptische vorrichtung

Info

Publication number: DE69632290T2
Application number: DE69632290T
Authority: DE
Inventors: Ata Rifat HIKMET
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1996-02-27
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: US6014197A; EP0757806B1; JPH09512356A; WO1996027148A1; JP3836140B2; EP0757806A1; DE69632290D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung eines Bündels elektromagnetischer Strahlung mit zwei zusammengesetzten Elementen und einem zwischen diesen Elementen liegenden elektrooptischen Medium, wobei jedes dieser Elemente eine Substratschicht, eine Elektrodenschicht und eine Orientierungsschicht aufweist, wobei jede der Orientierungsschichten dem elektrooptischen Medium zugewandt ist und wobei das elektrooptische Medium zwischen wenigstens zwei Zuständen umschaltbar ist. Die Vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Bildwiedergabeplatte. Eine derartige Bildwiedergabeplatte kann in einer Bildwiedergabeanordnung mit Direktsicht oder in einer Projektions-Bildwiedergabeanordnung, beispielsweise für Video-Applikationen oder als Monitor verwendet werden. Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann auch in einem Wellenlängenselektor oder in einem Bündelrichtungscontroller verwendet werden.
Eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art ist in US Patent 5.262.882 beschrieben worden. In diesem Patent ist eine Flüssigkristallzelle mit Orientierungsschichten aus einem orientierten Polymer mit Flüssigkristallmaterial dargestellt. Durch die starke Interaktion zwischen der Orientierungsschicht und dem umschaltbaren Flüssigkristallmaterial wird letzteres in der Richtung der Orientierung des orientierten Polymers orientiert.
Wenn eine derartige Zelle in einer Wiedergabeanordnung oder in einer Verschlussapplikation verwendet wird, wird sie üblicherweise zwischen zwei zueinander gekreuzten Polarisationsfiltern vorgesehen. Das erste Polarisationsfilter lässt eine der Polarisationskomponenten der auftreffenden sichtbaren Strahlung durch und absorbiert die andere Polarisationskomponente. Je nach der Spannung an der Zelle wird die Polarisationsrichtung der durchgelassenen Komponente mehr oder weniger gedreht und von dem zweiten Polarisationsfilter teilweise oder völlig durchgelassen. Die Strahlung, die von dem zweiten Polarisationsfilter nicht durchgelassen wird, wird von diesem Filter absorbiert. Weiterhin können Strahlungsverluste durch Reflexionen an der Oberfläche der Polarisationsfilter auftreten, so dass wesentlich mehr als 50% der auf das erste Polarisationsfilter treffenden Strahlung verloren geht.
In US-A-7.729.640 ist nicht von einem "doppelbrechenden Material" die Rede wie in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, aber alle anderen Merkmale des Anspruchs werden darin beschrieben.
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen zur Verwendung in einer Bildwiedergabeanordnung, so dass die genannten Nachteile völlig oder teilweise vermieden werden. Dazu weist die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung das Kennzeichen auf, dass wenigstens eine der Orientierungsschichten ein lineares periodisches Oberflächenprofil abwechselnd höherer und tieferer streifenförmiger Oberflächenteile aufweist, und ein doppelbrechendes Material mit Brechzahlen aufweist, die denen des elektrooptischen Mediums in einem der Zustände im Wesentlichen entspricht.
In diesem Zustand treten an der Schnittstelle der Orientierungsschicht und dem elektrooptischen Medium, beispielsweise einem Flüssigkristallmedium, keine Änderungen in den Brechzahlen auf, so dass ein auftreffendes sichtbares Strahlungsbündel das Oberflächenprofil nicht "sieht" und nicht dadurch beeinflusst wird. Wenn sich das elektrooptische Medium in einem der anderen Zustände befindet, beeinflusst das Oberflächenprofil einer Orientierungsschicht die außergewöhnliche Bündelkomponente, d. h. die Komponente mit der Polarisationsrichtung parallel zu der Längsrichtung der streifenförmigen Oberflächenteile, während die gewöhnliche Bündelkomponente, d. h. die Komponente mit der Polarisationsrichtung quer zu der genannten Längsrichtung ungehemmt durchgelassen wird. Auf diese Art und Weise kann eine der Polarisationskomponenten eines auf die Vorrichtung treffenden Bündels gesteuert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung, die es ermöglicht, dass die zwei Polarisationskomponenten gesteuert werden, weist das Kennzeichen auf, dass die zweite Orientierungsschicht ein lineares periodisches Oberflächenprofil aus abwechselnd höheren und tieferen streifenförmigen Oberflächenteilen aufweist und ein doppelbrechendes Material aufweist mit Brechzahlen, die denen des elektrooptischen Mediums in dem genannten einen Zustand im Wesentlichen entspricht, und dass die Längsrichtung der Oberflächenteile der zweiten Orientierungsschicht im Wesentlichen anders ist als die genannte Längsrichtung der ersten Orientierungsschicht.
Die außergewöhnliche Bündelkomponente wird im Wesentlichen völlig durchgelassen, und zwar durch das zweite Oberflächenprofil an der anderen Seite des elekt rooptischen Mediums und ebenfalls abhängig von dem gegenseitigen Winkel zwischen den Längsrichtungen der Profile, während die gewöhnliche Bündelkomponente nun durch das zweite Oberflächenprofil beeinflusst wird.
Das in der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zu verwendende elektrooptische Medium kann verschiedenartig sein. Eine erste Ausführungsform der Vorrichtung weist das Kennzeichen auf, dass das elektrooptische Medium zwischen zwei Zuständen umschaltbar ist, von denen der eine Zustand im Wesentlichen optisch isotrop ist, und dass die Brechzahlen des Materials einer profilierten Orientierungsschicht denen des elektrooptischen Mediums in dem anderen Zustand im Wesentlichen entsprechen.
Eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung, wobei die beiden Orientierungsschichten ein lineares periodisches Oberflächenprofil haben, weist das Kennzeichen auf, dass das elektrooptische Medium eine verdrehte nematische Flüssigkristallstruktur ist, und dass die Längsrichtungen der Oberflächenteile der zwei Orientierungsschichten einander kreuzen, und zwar in einem Winkel, der dem Verdrehungswinkel der verdrehten nematischen Flüssigkristallstruktur im Wesentlichen entspricht.
Eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung weist das Kennzeichen auf, dass das elektrooptische Medium zwischen wenigstens zwei doppelbrechenden Zuständen umschaltbar ist, wobei die Brechzahlen des Materials einer profilierten Orientierungsschicht denen des elektrooptischen Materials in einem der doppelbrechenden Zustände im Wesentlichen entsprechen.
Das genannte elektrooptische Medium kann einen ferroelektrischen, einen ferrielektrischen oder einen elektroklinischen Flüssigkristall aufweisen.
Auf alternative Weise kann das Medium in Form eines Gels vorhanden sein. Das Medium schaltet vorzugsweise zwischen einem Zustand, in dem die Moleküle in der Nähe der profilierten Oberfläche sich im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung der Oberflächenfacetten erstrecken, und einem Zustand, in dem die Moleküle sich im Wesentlichen quer zu der genannten Längsrichtung, erstrecken.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung weist das Kennzeichen auf, dass eine profilierte Orientierungsschicht ein orientiertes Polymernetzwerk umfasst, das ein Flüssigkristallmaterial enthält.
Auch in Bezug auf die Form des Oberflächenprofils kann die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung verschiedene Ausführungsformen haben.
Eine erste Ausführungsform weist das Kennzeichen auf, dass durch ein Phasenbrechungsgitter ein Oberflächenprofil gebildet wird und dass die Elektrodenschichten der zusammengesetzten Elemente mit Treibermitteln verbunden sind.
Zum Erhalten von Gitterstrukturen, deren Materialien Brechzahlen haben, die denen des elektrooptischen Mediums in einem der Zustände im Wesentlichen entsprechen, wobei vorzugsweise eine Gitterstruktur mit einem orientierten Polymernetzwerk, in dem ein Flüssigkristallmaterial vorhanden ist, verwendet wird. Die Periode einer derartigen Gitterstruktur ist vorzugsweise wenigstens 0,1 μm, damit komplizierte photolithographische Verfahrensschritte vermieden werden. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer Periode, die kürzer ist als 0,5 μm, Teile der Orientierungsschicht manchmal beim Reiben nicht einwandfrei oder überhaupt nicht mit den Reibmitteln (Gewebe oder Reibrolle) in Berührung kommen. Andererseits ist die genannte Periode vorzugsweise kleiner als beispielsweise die Größe eines Pixels einer Wiedergabeplatte (100 μm in der Praxis).
Wenn die Vorrichtung weiterhin das Kennzeichen aufweist, dass die Treibermittel durch eine Quelle konstanter Spannung und durch einen Schalter gebildet werden, kann sie als Intensitätsschalter verwendet werden.
Wenn an den Elektroden keine Spannung anliegt, sieht das Strahlungsbündel keine Gitterstruktur an der Schnittstelle zwischen dem elektrooptischen Material und der Orientierungsschicht und das Bündel geht ungehemmt durch die Schnittstelle hindurch. Wenn eine Spannung angelegt wird, wird das Strahlungsbündel an der Schnittstelle abgelenkt und in ein Bündel nullter Ordnung und in Beugungsbündel höherer Ordnung aufgeteilt, so dass die Intensität des zentralen Bündels bzw. des Bündel nullter Ordnung reduziert wird.
Wenn jede der Orientierungsschichten eine profilierte Oberfläche hat, können die zwei Polarisationskomponenten auf diese Art und Weise gesteuert werden.
Die vorliegende Erfindung kann in einer Bildwiedergabeplatte verwendet werden. Eine derartige Bildwiedergabeplatte umfasst die Vorrichtung, wie oben beschrieben, und weist weiterhin das Kennzeichen auf, dass jede der Elektrodenschichten eine lineare Anordnung streifenförmiger Elektroden aufweist zum Empfangen von Bilddaten- und Selektionsspannungen, welche die spezifische Durchlässigkeit elektrooptischer Mediumteile bestimmen, definiert durch die Elektrodenstrukturen der zwei Elektrodenschichten.
Diese Vorrichtung ersetzt eine herkömmliche Bildwiedergabeplatte und die zwei Polarisationsfilter und hat den zusätzlichen Vorteil, dass im Wesentlichen keine Strahlung absorbiert wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Direktsicht-Bildwiedergabeanordnung, die eine Beleuchtungseinheit, eine Bildwiedergabeplatte und Treibermittel für die Platte aufweist. Diese Vorrichtung weist das Kennzeichen auf, dass die Bildwiedergabeplatte eine Platte ist, wie oben beschrieben.
Diese Vorrichtung kann weiterhin das Kennzeichen aufweisen, dass an der Zuschauerseite wenigstens ein Teil des Gitters eine variable Periode hat.
Auf alternative Weise kann diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet sein, dass an der Zuschauerseite wenigstens ein Teil des Gitters eine Fresnelsche Struktur hat.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Projektions-Bildwiedergabeanordnung. Diese Vorrichtung, die Folgendes in dieser Reihenfolge umfasst: ein Beleuchtungssystem, eine Bildwiedergabeplatte, Treibermittel für diese Platte und eine Projektionslinse, weist das Kennzeichen auf, dass die Wiedergabeplatte eine Platte ist, wie oben beschrieben, und dass die Objektivlinse nur in der Strecke des Bündels nullter Ordnung von der Bildwiedergabeplatte vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Wellenlängenselektionsanordnung. Diese Anordnung weist das Kennzeichen auf, dass sie eine Vorrichtung aufweist, wie oben beschrieben, und dass ein Oberflächenprofil einer Orientierungsschicht durch den Phasenbrechgitter gebildet wird und die Elektrodenschichten mit einer steuerbaren Spannungsquelle verbunden sind.
Dadurch wird die Tatsache benutzt, dass die Wellenlänge des zentralen Bündels, oder des Bündels nullter Ordnung, das durch die Gitterstruktur hindurchgegangen ist, abhängig ist von der an die Elektrodenschichten angelegten Spannung.
Die Wellenlängenselektionsanordnung kann weiterhin das Kennzeichen aufweisen, dass sie zwei Orientierungsschichten mit einem linearen periodischen Oberflächenprofil aufweist, wobei die Längsrichtung der Oberflächenteile der einen Schicht im Wesentlichen senkrecht auf der der anderen Schicht steht.
Mit dieser Anordnung kann die Wellenlänge der beiden Polarisationselemente gesteuert werden.
Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls bei einer Bündelrichtungssteuervorrichtung anwendbar. Diese Steuervorrichtung weist das Kennzeichen auf, dass das Oberflächenprofil ein Sägezahnprofil ist und dass die Elektrodenschichten über einen Schalter mit einer Quelle konstanter Spannung verbunden sind.
Wenn an die Elektrodenschichten eine Spannung angelegt wird, sind die Brechzahlen des elektrooptischen Mediums anders als die der Orientierungsschicht, so dass das Sägezahnprofil effektiv wird und eine der Polarisationskomponenten ablenkt. Auf diese Weise kann die Strahlungsenergie eines auftreffenden Bündels über zwei räumlich getrennte Unterbündel verteilt werden.
Wenn die Bündelrichtungssteuervorrichtung weiterhin das Kennzeichen aufweist, dass die beiden Orientierungsschichten ein Sägezahnprofil haben, können die beiden Polarisationskomponenten des Bündels gleichzeitig gesteuert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden Fall näher beschrieben. Es zeigen:
1a und 1b eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in zwei verschiedenen Zuständen,
2 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung,
3 eine assoziierte Durchlass-Spannungskurve,
4 einige Variationen der bei diesen Vorrichtungen verwendeten Gitterstruktur,
5 eine Direktsicht-Bildwiedergabeanordnung nach der vorliegenden Erfindung,
6 eine Projektions-Bildwiedergabeanordnung nach der vorliegenden Erfindung,
7 eine Ausführungsform einer Farbselektionsanordnung nach der vorliegenden Erfindung,
8 eine Kurve der assoziierten Brechzahldifferenz gegenüber der Wellenlänge,
9 Durchlasswellenlängen-Kurven für verschiedene Spannungen,
10 eine erste Ausführungsform einer Bündelrichtungssteuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
11 eine zweite Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung und
12 und 13 eine schematische Darstellung, wie diese Vorrichtung in optischen Systemen verwendet werden kann.
1a und 1b eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt und teilweise weggeschnitten, eines Teils einer Flüssigkristalleinrichtung mit einer Flüssigkristallzelle 1 mit einem verdrehten nematischen Flüssigkristallmaterial 2 zwischen zwei zusammengesetzten Elementen, die je eine transparente Substratschicht 3, 4 aus beispielsweise Glas oder aus transparentem Kunststoff, eine Elektrodenschicht 5, 6 und eine Orientierungsschicht 7, 8 aufweisen. Die Schichten 7, 8 orientieren das Flüssigkristalhnaterial an den Innenflächen der zusammengesetzten Elemente. Nach der vorliegenden Erfindung sind bei dieser Ausführungsform die Innenflächen als Gitterstruktur implementiert worden.
Die Orientierungsschichten werden mit Hilfe der in dem US Patent 5.262.882 beschriebenen Technik oder durch Reibung in der Richtung der Rillen in der Gitterstruktur orientiert, so dass die Zelle bei dieser Ausführungsform einen Verdrehungswinkel von 90° hat. In diesem Fall hat das Flüssigkristallmaterial eine positive optische Anisotropie und eine positive dielektrische Anisotropie. Wenn die Elektrodenschichten mit einer elektrischen Spannung Vo von einer Spannungsquelle 9 gespeist werden, richten die Moleküle und folglich die Direktoren 10 sich selber zu dem Feld, wie in 1b dargestellt.
Nach der vorliegenden Erfindung hat das Material der Gitterstruktur dieselben Brechzahlen n_e und n_o für die außergewöhnliche und die gewöhnliche Komponente eines auftreffenden Bündels 11 wie das Flüssigkristallmedium 2. Bei einer Spannung V = 0 an den Elektrodenschichten 5, 6, dargestellt in 1a, werden die Moleküle in der Schicht 7 und in dem Medium 2 derart orientiert, dass an der Schnittstelle der Schicht 7 und dem Medium 2 keine Änderung in den Brechzahlen für die außergewöhnliche und die gewöhnliche Komponente des auftreffenden Bündels 11 auftritt. Da das Bündel nicht einer Änderung der Brechzahl ausgesetzt wird, geht es ungehemmt durch die Schnittstelle hindurch. Dasselbe gilt für die Schnittstelle zwischen dem Medium 2 und der Schicht 8, die ebenfalls eine Gitterstruktur hat, deren Material dieselben Brechzahlen n_e und n_o hat für die außergewöhnliche und die gewöhnliche Komponente des auftreffenden Bündels hat wie das Flüssigkristallmedium 2.
Wenn aber den Elektroden 5, 6 eine Spannung V = Vo zugeführt wird, wie in 1b dargestellt, werden die Moleküle in der Schicht 7 und in dem Medium 2 derart gegliedert, dass eine Differenz in der Brechzahl für die außergewöhnliche Komponente, nicht aber für die gewöhnliche Komponente des auftreffenden Bündels 11 an der Schnittstelle der Schicht 7 und dem Medium 2 auftritt. Die gewöhnliche Bündelkomponente wird dadurch auf ihrem Weg durch das Medium hindurch nicht beeinflusst. Die außergewöhnliche Bündelkomponente spürt den Effekt des Gitters und wird dadurch senkrecht zu der Richtung der Gitterstreifen gebeugt. Da die Gitterstruktur der Schicht 8 gegenüber der Gitterstruktur der Schicht 7 um 90° gedreht ist, tritt an der Schnittstelle des Mediums 2 und der Schicht 8 eine Brechzahldifferenz für die nicht gebeugte gewöhnliche Bündelkomponente auf, nicht aber für die gebeugten Teile der außergewöhnlichen Bündelkomponente. Diese gebeugten Teile werden nun imstande sein, ungehemmt durch den Übergang zwischen dem Medium 2 und der Schicht 8 hindurch zu gehen. Die gewöhnliche Bündelkomponente erfährt nun den Effekt der Gitterstruktur und wird dadurch in einer Richtung quer zu der Richtung gebeugt, in der die außergewöhnliche Bündelkomponente gebeugt wurde. Für ein enges Bündel 11 bedeutet dies, dass zunächst an der Schnittstelle der Schicht 7 und des Mediums 2 die außergewöhnliche Komponente in einer Ebene quer zu der Richtung der Rillen der Gitterstruktur 7 gebeugt und danach an der Schnittstelle des Mediums 2 und der Schicht 8 wird die gewöhnliche Bündelkomponente in einer Ebene, quer zu den Rillen der Gitterstruktur 8 gebeugt. Das Ergebnis ist, dass die Strahlungsenergie des auftreffenden Bündels in eine Anzahl Unterbündel höherer Beugungsordnung aufgeteilt wird, die in einer kreuzförmigen Muster gegliedert sind, wie die durch die Unterbündel 11a und 11b dargestellt ist. Auf diese Weise wird das Bündel 11, also das Bündel nullter Ordnung, im Wesentlichen gelöscht, wenn eine Spannung V = Vo an die Elektroden angelegt wird, während dieses Bündel durch die Vorrichtung im Wesentlichen hindurch geht, wenn an die Elektroden keine Spannung angelegt wird. Die Vorrichtung funktioniert auf diese Art und Weise als ein Intensitätsschalter, oder als ein Intensitätsmodulator, wenn verschiedene Spannungen nacheinander an die Elektroden der Vorrichtung angelegt werden.
2 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, wobei die Orientierungsschicht eine flache innere Oberfläche statt eine Oberfläche mit einer Gitterstruktur hat. Die gewöhnliche Bündelkomponente wird nun an der Schnittstelle des Flüssigkristallmediums 2 und der Orientierungsschicht 8 nicht gebeugt. Das Bündel wird nun in eine Anzahl Unterbündel aufgeteilt, die in einem linienförmigen Muster arrangiert sind, wie dies durch die Unterbündel 11a und 11b in 2 angegeben ist. Da das auftreffende Bündel in nur einer Richtung gebeugt wird, wird bei der Spannung V = Vo das erregende Bündel nicht völlig gelöscht. Das erregende Bündel ist ein lineares polarisierten Bündel mit der Polarisationsrichtung in einer Ebene quer zu der Gitterstruktur und parallel zu den Rillen. Die Vorrichtung funktioniert als Polarisationsfilter, das die unerwünschte Polarisationskomponente beugt statt absorbiert. Wenn diese Vorrichtung mit einem Polarisationsfilter kombiniert wird, dessen Polarisationsrichtung sich quer zu dem erregenden Bündel erstreckt, kann eine ähnliche Durchlass-Spannungskurve wie in 3 dargestellt, erhalten werden.
Eine Gitterstruktur, wie oben beschrieben kann mit Hilfe an sich bekannter Replikationstechniken erhalten werden. Dadurch kann beispielsweise eine mechanisch geformte Form aus beispielsweise Polyäthylenoxid mit einer periodischen dreieckförmigen Struktur verwendet werden. Die Dreiecke haben eine Höhe von beispielsweise 6 μm, während deren Basisabmessung etwa 4 μm beträgt. Eine große Variation in der Periode der Gitterstruktur ist möglich. Ein Glassubstrat mit Elektroden wurde mit einer Orientierungsschicht bedeckt, die daraufhin in einer bestimmten Richtung gerieben wurde. Ein Gemisch aus 10% Fiüssigkristall-Diacrylat (C₆M) und 90% Flüssigkristallmaterial und 1% UV-Auslöser wurde zwischen der Form und dem Substrat vorgesehen, wobei die Gitterrillen parallel zu der Orientierungsrichtung gewählt worden sind. Nach Polymerisation mit UV-Strahlung wurde die Form entfernt. Eine optische Analyse ergab, dass die Orientierung der Moleküle in der Replikschicht sich parallel zu den Gitterrillen erstreckt. Mit Hilfe zweier Strukturen diesen Typs wurde eine Zelle, wie in 1a dargestellt, zusammengesetzt und mit einem derartigen Flüssigkrstallmaterial gefüllt, dass die Schicht mit der Gitterstruktur und dem Flüssigkristallmaterial im Wesentlichen dieselben Brechzahlen haben. Die Verwendung von UV-Strahlung zum Herstellen eines doppelbrechenden Materials durch Polymerisation eines Gemisches, das Flüssigkristallmaterial enthält, ist aus US-A-5.299.289 bekannt. Die Strahlung wurde aber nicht verwendet zum Herstellen einer Orientierungsschicht, sie wurde verwendet zum herstellen eines polymerdispergierten elektrooptischen Mediums, insofern dies in US-A-5.299.289 beschrieben wurde.
Das elektrooptische Medium 2 braucht nicht unbedingt einen verdrehten nematischen Flüssigkristall zu haben, wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen. Stattdessen kann ein doppelbrechendes Medium gewählt werden, wie ein (anti-)ferroelektrisches oder ein ferrielektrisches Flüssigkristallmedium, oder eine STN-Zelle. Das Material der Schicht mit der Gitterstruktur wird immer derart gewählt, dass in einem der Zustände, beispielsweise dem spannungslosen Zustand, dieses Material dieselben Brechzahlen n_e und n_o hat für die außergewöhnliche bzw. die gewöhnliche Komponente des auftreffenden Bündels 11, wie das elektrooptische Medium 2, während in den anderen Zuständen eine Differenz in der Brechzahl für eine der Komponenten auftritt.
Die Gitterstruktur braucht nicht die dreieckige Form zu haben, die in 2 dargestellt ist. So zeigen beispielsweise 4a, 4b und 4c eine Anzahl möglicher Variationen, wobei die Schicht 7 mit der Gitterstruktur ein quadratisches Profil, ein sägezahnförmiges Profil und ein sinusförmiges bzw. en wellenförmiges Profil hat. Wie in 4d dargestellt kann die Profilstruktur auch durch ein wellenförmiges Muster gebildet werden, das in der Substratschicht 3 vorgesehen ist. Die Orientierungsschicht 7, welche dieselbe Struktur hat, kann dann ggf. mit einer dreieckigen oder einer anders geformten Struktur versehen werden, welche dieselben Brechzahlen n_e und n_o für die außergewöhnliche bzw. die gewöhnliche Komponente des auftreffenden Bündels 11 hat, wie das elektrooptische Medium 2.
5 zeigt eine Direktsicht-Bildwiedergabeanordnung mit einer Vorrichtung, wie oben beschrieben. Die transparenten Elektroden werden nun in streifenförmige Elektroden 5, 6 aufgeteilt, deren Richtungen einen Winkel von beispielsweise 90° einschließen. Diese Elektroden definieren Bildelemente oder Pixel in den gebieten deren Kreuzungen miteinander, so dass die Vorrichtung nun als Bildwiedergabeplatte verwendet werden kann. Die neue Bildwiedergabeplatte wird auf eine Art und Weise betrieben, die denjenigen entspricht, die für herkömmliche Bildwiedergabeplatte ähnlich ist. Über Treiberleitungen 15, 16 werden den streifenförmigen Elektroden 5, 6 Daten und Selektionsspannungen zugeführt, die beispielsweise von einem Datenregister 18 und einem Multiplexer 17 erzeugt werden. Die Synchronisation untereinander wird durch eine Steuerschaltung 19 gewährleistet, wobei eintreffende Signale 20 nötigenfalls auch angepasst werden.
Die Bildwiedergabeanordnung umfasst weiterhin eine Beleuchtungseinheit 12 mit einem Lampengehäuse 14, die eine Lampe 14' in sich birgt, und einen Lichtleiter 13, der sich durch das Lampengehäuse 14 hindurch erstreckt. Der Entwurf ist derart, dass Licht von der Lampe 14', das auf die Wände 13', 13'' auftrifft, von diesen Wänden einmal oder mehrere Male total reflektiert wird, bis es in einem Winkel auf die Wand 13'' auftrifft, der kleiner ist als der kritische Winkel, so dass es in Richtung der Vorrichtung 1 durchgelassen wird. Das Beleuchtungsbündel von der Einheit 12 wird durch die Pixelstruktur in eine An zahl Unterbündel entsprechend der Anzahl Pixel aufgeteilt. Je nach der an ein bestimmtes Pixel angelegten Spannung wird die Komponente nullter Ordnung des assoziierten Unterbündels gelöscht oder nicht, was bedeutet, dass das Unterbündel ggf. in der Sehrichtung eines Zuschauers durchgelassen wird, der bei der Ausführungsform nach 5 sich selber über der Vorrichtung 1 findet. Auf diese Weise liefert dieses Unterbündel und alle anderen Unterbündel einen Beitrag zu der Formung eines Bildes.
Um zu vermeiden, dass es zu viel Dispersion des Bildlichtes an der Zuschauerseite gibt oder um das Bildbündel in einer gewünschten Richtung zu leiten, kann es erwünscht sein, die eine oder die beiden strukturierten Gitter, vorzugsweise dasjenige auf der Zuschauerseite mit einer variablen Gitterstruktur oder mit einer kollimierenden Fresnelschen Struktur zu versehen.
6 zeigt sehr schematisch eine Bildprojektionseinrichtung, die mit einer Vorrichtung 1 nach der vorliegenden Erfindung versehen ist. Die Beleuchtungseinheit 12 umfasst eine Lampe 14', untergebracht in einer reflektierenden Lampenhalterung 14 und zusätzliche Linsenmittel 21, die eine Kollimatorlinse enthalten können, so dass das Beleuchtungsbündel 11 ein kollimiertes Bündel ist. Die Beleuchtungseinheit kann beispielsweise wie in den US Patenten 5.098.184 und 5.184.248 dargestellt, konstruiert werden. Die Vorrichtung 1 wird mit Treibermitteln versehen, ähnlich wie diejenigen, wie diese in 5 dargestellt und funktioniert wie eine Bildwiedergabeplatte auf dieselbe Art und Weise, wie anhand der 5 beschrieben worden ist. Das von den Pixeln der Vorrichtung 1 erzeugte Bild, wobei diese Pixel zwischen einem helleren und einem dunkleren Zustand umgeschaltet werden, wird durch ein Prtojektionslinsensystem 22 auf einen Projektionsschirm 23 projiziert. Um zu vermeiden, dass gebeugte Unterbündel, d. h. Unterbündel nicht nullter Ordnung, den Projektionsschirm erreichen, sind Lichtspemnittel 24 in dem Gehäuse der Projektionseinrichtung vorgesehen.
Wie bisher beschrieben, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein umschaltbares elektrooptisches Medium zwischen zwei zusammengesetzten Elementen, von denen wenigstens eines eine Gitterstruktur hat, und zwar an der Seite des elektrooptischen Mediums, wobei die Brechzahlen dieser Struktur denen des Mediums in dem nichtisotropen Zustand im Wesentlichen entsprechen. In dem isotropen Zustand wird die Gitterstruktur effektiv, und zwar durch die Differenz in der Brechzahl, so dass die Intensität der Komponente des zentralen Bündels, d. h. des Bündels nullter Ordnung, abnimmt. Auf Basis dieses Prinzips können Verschlüsse für beispielsweise Bildprojektion, aber auch Lichtdämpfer und Polarisationsfilter verwirklicht werden.
Eine ähnliche Vorrichtung mit einer doppelten Gitterstruktur, dargestellt in den 1, 2 und 4, kann auch als Farbselektionseinrichtung verwendet werden. Eine derartige Einrichtung ist in 7 dargestellt. In dieser Einrichtung wird die Tatsache benutzt, dass für ein Phasengitter mit rechteckigen Rillen die Durchlässigkeit T für das Bündel null-ter Ordnung, wobei diese Durchlässigkeit gegeben wird durch: T(λ) = cos2(π·Δn·d/λ) (1)von der Wellenlänge λ abhängig ist. In der Gleichung (1) ist
Δn = n = n'
wobei n die Brechzahl des Gittermaterials ist und n' die Brechzahl des Mediums in den Gitterrillen ist, d. h. die Brechzahl des elektrooptischen Mediums. Wie in 7 dargestellt sind zwei derartiger Gitter derart arrangiert, dass deren Gitterrillen und folglich die Direktoren (oder molekularen Orientierungen) 10a und 10b des Gittermaterials 90° aufeinander stehen. In diesem verdrehten Zustand entsprechen die Brechzahl des elektrooptischen Mediums in der Nähe der Gitter denen des Gittermaterials so dass die Gitter nicht effektiv sind und keine Beugung auftritt.
Wenn den Elektroden 5, 6 elektrische Spannung zugeführt wird, drehen sich aber die Meleküle des Mediums 2 um einen Winkel θ mit der Normalen auf der Oberfläche der Gitter und die effektive außergewöhnliche Brechzahl n_e (eff) für normalen Auftreff nimmt ab, und zwar entsprechend:
während die gewöhnliche Brechzahl dieselbe bleibt.
Auf diese Weise kann Δn = n (eff) – n in der Gleichung (1) als eine Funktion der angelegten Spannung V geändert werden. 8 zeigt die berechnete Δn als eine Funktion der Wellenlänge λ, während in 9 die berechnete durchgelassene Intensität, d. h. die Intensität des Bündels nullter Ordnung, als eine Funktion der Wellenlänge für fünf verschiedene Spannungen V1, V2, V3, V4 und VS gegenüber entsprechenden Δn Werten von 0,28, 0,2, 0,15, 0,1 bzw. 0,05 aufgetragen ist. Es ist ersichtlich, dass die durchgelassene Intensität stark wellenlängenabhängig ist und dass das Spektrum des durchgelassenen Bündels nullter Ordnung als eine Funktion von n_e (eff) ändert, was durch die angelegte Span nung bestimmt wird. Auf diese Weise kann die Farbe des durchgelassenen Bündels dadurch gesteuert werden, dass die den Elektroden 5, 6 zugeführte Spannung variiert wird.
Bei der Ausführungsform nach 7 mit zwei gekreuzten Gitterstrukturen 7, 8 wird gewährleistet, dass die zwei Polarisationskomponenten des auftreffenden Bündels 11 gebeugt werden, wenn eine Spannung angelegt wird, so dass die Farbe des ganzen Bündels gesteuert wird. Bei einer Ausführungsform, bei der nur ein einziges Gitter vorhanden ist, wird nur eine einzige Polarisationskomponente des Bündels 11 in der Farbe gesteuert.
10 zeigt eine Ausführungsform einer Bündelrichtungssteueranordnung, wobei die vorliegende Erfindung angewandt wird. Diese Anordnung umfasst eine erste Substratschicht 3, eine erste transparente Elektrode 5 und eine Schicht 20 aus anisotropem Material mit Brechzahlen n_o und n_e. Diese Schicht hat eine Oberfläche 22 mit einem Sägezahnprofil. Zwischen dieser Oberfläche und einer zweiten Elektrode, vorgesehen auf der zweiten Substratschicht 4 ist ein umschaltbares elektrooptisches Medium 23 vorhanden. Wenn an die Elektroden 5, 6 keine Spannung angelegt wird, werden die Moleküle des Mediums 23 parallel zu den Sägezahnfacetten orientiert und es gibt keine Differenz zwischen den Brechzahlen des Mediums 23 und der Schicht 20. Ein auftreffendes Bündel 25 wird geradeaus durch die Vorrichtung hindurch gehen und das erregende Bündel 27 hat dieselbe Richtung wie das auftreffende Bündel. Wenn eine Spannung an die Elektroden 5,6 angelegt wird, werden die Moleküle des Mediums 23 neu orientiert und die Direktoren 30 dieses Mediums bilden mit den Sägezahnfacetten 31 einen Winkel α, wie in dem unteren Teil der 10 angegeben und die Brechzahl des Mediums 23 für die außergwöhnliche Bündelkomponente wird n_e (eff), gegeben durch:
Durch die Differenz in der Brechzahl der Schicht 20 und des Mediums 23 für die außergewöhnliche Bündelkomponente ist das Sägezahnprofil effektiv, was bedeutet, dass jede der Facetten durch die Beugung einen Teil des in demselben Winkel darauf treffenden Bündels ablenkt. Die außergewöhnliche Komponente des auftreffenden Bündels wird nun abgelenkt und erregt wie das Bündel 28.
Bei der Ausführungsform nach 10 wird nur eine der Polarisationskomponenten des auftreffenden Bündels abgelenkt. Um die Richtung der beiden Komponenten zu ändern kann die in 11 dargestellte Ausführungsform verwendet werden.
Bei dieser Ausführungsform ist auf der zweiten Elektrode 6 eine zweite Orientierungsschicht 35 mit einem Sägezahnprofil 36 vorgesehen, wobei dieses Profil dem Profil 22 entspricht aber gegenüber dem Profil 22 weniger gespiegelt. Das elektrooptische Medium 23 zwischen den zwei Oberflächen 22 und 36 hat nun die Form eines Weihnachtsbaums. Die außergewöhnliche Komponente des auftreffenden Bündels 25 wird, wie in der Ausführungsform nach 10, an der Oberfläche 22 abgelenkt, wenn eine Spannung angelegt wird. Die gewöhnliche Komponente wird nun durch die zweite Sägezahnoberfläche 36 in demselben Winkel abgelenkt, weil an dieser Oberfläche die gewöhnliche Komponente einer Brechzahldifferenz entspricht, da die gewöhnliche und die außergewöhnliche Brechzahl der Schicht 35 der außergewöhnlichen bzw. der gewöhnlichen Brechzahl der Schicht 22 entspricht. Wenn keine Spannung an die Vorrichtung angelegt wird, gehen die beiden Komponenten ungehemmt durch die Vorrichtung hindurch und erregen als Bündel 27.
Die in den 10 und 11 dargestellten Vorrichtungen können in einem beliebigen optischen System verwendet werden zum Umschalten der Energie eines Bündels zwischen verschiedenen Kanälen oder zum Verteilen dieser Energie über diese Kanäle. Die Kanäle können durch Lichtleiter gebildet werden, beispielsweise durch optische Fasern. Diese Applikation ist in 12 und 13 schematisch dargestellt. In diesen Figuren ist 40 eine Strahlungsquelle, beispielsweise eine Lampe, und 41 ein Reflektor, der die Strahlung zu einem Bündel bündelt. Dieses Bündel wird mit Hilfe eines Linsen- oder Spiegelsystems 43 konzentriert, so dass es durch eine optische Vorrichtung hin durch weiter geführt werden kann. Dies System umfasst weiterhin eine Bündelrichtungssteueranordnung, 45 in 12 und 46 in 13, nach 10 bzw. 11.
Wenn an die Anordnung keine Spannung angelegt wird, wird das ganze Bündel 42 auf einen ersten Kanal 48 konzentriert, wie in dem oberen Teil der 12 dargestellt. Wenn eine Spannung angelegt wird, geht eine der Polarisationskomponenten 50 des Bündels 42, beispielsweise die gewöhnliche Komponente, ohne Ablenkung durch die Anordnung 45 hin durch und trifft auf den Kanal 48. Die außergewöhnliche Komponente wird von der Anordnung 45 abgelenkt und tritt in einen zweiten Kanal 47 ein, wie in dem unteren Teil der 12 dargestellt. Auf diese Weise wird die Energie des Bündels 42 über die zwei Kanäle verteilt.
Bei der Ausführungsform nach 13, die eine Anordnung 46 nach 11 umfasst, werden die beiden Polarisationskomponenten auf dieselbe Art und Weise behan delt, d. h. sie werden beide in Richtung des zweiten Kanals 47 abgelenkt, wenn an die Anordnung 46 eine Spannung angelegt wird, wie in dem unteren Teil der 13 dargestellt, und beide gehen ungehemmt in Richtung des ersten Kanals 48, wenn keine Spannung angelegt wird, wie in dem oberen Teil der 13 dargestellt.
Die Kanäle der 12 und 13 können faseroptische Lichtleiter sein. Ein derartiges faseroptisches System kann beispielsweise im Bereich der Fahrzeugbeleuchtung verwendet werden. Durch Umschaltung von dem einen Kanal auf einen anderen Kanal, kann die Richtung des Bündels von der Fahrzeugbeleuchtung geändert werden.

Claims

Vorrichtung (1) zur Steuerung eines Bündels elektromagnetischer Strahlung mit zwei zusammengesetzten Elementen und einem zwischen diesen Elementen liegenden elektrooptischen Medium (2), wobei jedes dieser Elemente eine Substratschicht (3, 4), eine Elektrodenschicht (5, 6) und eine Orientierungsschicht (7, 8) aufweist, wobei jede der Orientierungsschichten dem elektrooptischen Medium zugewandt ist und wobei das elektrooptische Medium zwischen wenigstens zwei Zuständen umschaltbar ist, wobei wenigstens eine der Orientierungsschichten ein lineares periodisches Oberflächenprofil abwechselnd höherer und tieferer streifenförmiger Oberflächenteile aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die profilierte Orientierungsschicht aus einem doppelbrechenden Material mit Brechzahlen hergestellt ist, die denen des elektrooptischen Mediums in einem der Zustände im Wesentlichen entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierungsschichten beide ein lineares periodisches Oberflächenprofil abwechselnd höherer und tieferer streifenförmiger Oberflächenteile aufweisen und beide ein doppelbrechendes Material aufweisen mit Brechzahlen, die denen des elektrooptischen Mediums in dem genannten einen der Zustände im Wesentlichen entsprechen, und dass die Längsrichtung der Oberflächenteile der einen Orientierungsschicht wesentlich anders ist als die genannte Längsrichtung der anderen Orientierungsschicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrooptische Medium zwischen zwei Zuständen umschaltbar ist, von denen der eine Zustand im Wesentlichen optisch isotrop ist, und dass die Brechzahlen des Materials einer profilierten Orientierungsschicht denen des elektrooptischen Mediums in dem anderen Zustand im Wesentlichen entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die beiden Orientierungsschichten ein lineares periodisches Oberflächenprofil haben, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrooptische Medium eine verdrehte nematische Flüssigkristallstruktur ist, und dass die Längsrichtungen der Oberflächenteile der zwei Orientierungsschichten einander kreuzen, und zwar in einem Winkel, der dem Verdrehungswinkel der verdrehten nematischen Flüssigkristallstruktur im Wesentlichen entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrooptische Medium zwischen wenigstens zwei doppelbrechenden Zuständen umschaltbar ist, wobei die Brechzahlen des Materials einer profilierten Orientierungsschicht denen des elektrooptischen Materials in einem der doppelbrechenden Zustände im Wesentlichen entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrooptische Medium ein ferro-elektrisches, ein ferri-elektrisches oder ein "electroclinic" Flüssigkristall enthält.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine profilierte Orientierungsschicht ein orientiertes Polymernetzwerk umfasst, das ein Flüssigkristallmaterial enthält.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Phasenbrechungsgitter ein Oberflächenprofil gebildet wird und dass die Elektrodenschichten der zusammengesetzten Elemente mit Treibermitteln verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode des Gitters wenigstens 0,1 μm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode des Gitters höchstens 100 μm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibermittel durch eine Quelle konstanter Spannung und einen Schalter gebildet werden.
Bildwiedergabeanordnung mit einer Vorrichtung nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Elektrodenschichten eine lineare Anordnung streifenförmiger Elektroden aufweist zum Empfangen von Bilddaten- und Selektionsspannungen, welche die spezifische Durchlässigkeit elektrooptischer Mediumteile bestimmen, definiert durch die Elektrodenstrukturen der zwei Elektrodenschichten.
Direktbildwiedergabegerät mit einer Beleuchtungseinheit, einer Bildwiedergabeanordnung und Treibermitteln für die Bildwiedergabeanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildwiedergabeanordnung eine Bildwiedergabeanordnung nach Anspruch 12 ist.
Direktbildwiedergabegerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Zuschauerseite wenigstens ein Teil des Gitters eine variable Periode hat.
Direktbildwiedergabegerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Zuschauerseite wenigstens ein Teil des Gitters eine Fresnelsche Struktur hat.
Bildprojektionsgerät mit, in dieser Reihenfolge: einem Beleuchtungssystem, einer Bildwiedergabeanordnung, Treibermitteln für diese Bildwiedergabeanordnung und einer Projektionslinse, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiedergabeanordnung eine Wiedergabeanordnung nach Anspruch 12 ist und dass das Objektiv nur in dem Weg des Strahles nullter Ordnung von der Wiedergabeanordnung vorgesehen ist.
Wellenlängenselektionsanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1–7 aufweist, wobei ein Oberflächenprofil einer Orientierungsschicht durch ein Phasenbrechungsgitter gebildet wird und die Elektrodenschichten mit einer steuerbaren Spannungsquelle verbunden sind.
Wellenlängenselektionsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass diese zwei Orientierungsschichten aufweist mit einem linearen periodischen Oberflächenprofil, wobei die Längsrichtung der Oberflächenteile der einen Schicht im Wesentli chen senkrecht auf der Längsrichtung der anderen Schicht steht.
Strahlrichtungssteueranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Vorrichtung nach Anspruch 1 aufweist, dass das Oberflächenprofil ein Sägezahnprofil ist und dass die Elektrodenschichten über einen Schalter mit einer Quelle konstanter Spannung verbunden sind.
Strahlrichtungssteueranordnung nach Anspruch 19, wobei die beiden Orientierungsschichten ein Sägezahnprofil haben.