DE69636582T2

DE69636582T2 - Polarisierte Rückbeleuchtung mit innerer Totalreflektion

Info

Publication number: DE69636582T2
Application number: DE69636582T
Authority: DE
Inventors: Brent D. Cave Creek Larson
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: EP1258747B1; EP1258749A3; EP1258749B1; EP1273959A3; HK1052975A1; HK1053871B; EP1258748B1; JPH11502036A; EP1258748A3; EP1258746A2; EP0819259B1; DE69636661T2; IL117777A0; EP1258747A3; EP1258747A2; HK1052974A1; HK1052972A1; DE69637376D1; US5999239A; EP1273959A2

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet polarisierter Displays und insbesondere Displays einschließlich LCDs, ferroelektrische Displays, Projektionsdisplays und andere ähnliche beleuchtete Displayeinrichtungen und -systeme.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Das Leistungspotential und die Flexibilität polarisierter Displays, insbesondere jene, die die elektrooptischen Eigenschaften von flüssigkristallinen Materialien verwenden, hat zu einem dramatischen Wachstum bei dem Einsatz dieser Displays für eine große Vielfalt von Anwendungen geführt. Flüssigkristalldisplays (LCDs) bieten den ganzen Bereich, an von extrem preiswert und niedriger Stromleistung (z.B. Armbanduhrendisplays) bis zu sehr hoher Leistung und hoher Helligkeit (z.B. AMLCDs für Avionikanwendungen, Computermonitore und HDTV-Projektoren). Viel dieser Flexibilität ergibt sich aus der Lichtventilnatur dieser Einrichtungen, da der Abbildungsmechanismus von dem Lichterzeugungsmechanismus entkoppelt ist. Wenngleich dies ein gewaltiger Vorteil ist, ist es oftmals erforderlich, bei bestimmten Kategorien wie etwa Luminanzkapazität oder Lichtquellenstromverbrauch einen Kompromiß einzugehen, um die Bildqualität oder die Erschwinglichkeit zu maximieren. Diese reduzierte optische Effizienz kann auch zu Leistungseinschränkungen bei hoher Beleuchtung aufgrund Erwärmung oder Abschwächung der üblicherweise in den Displays verwendeten lichtabsorbierenden Mechanismen führen.
In tragbaren Displayanwendungen wie etwa hintergrundbeleuchteten Laptopcomputermonitoren oder anderen Instrumentendisplays wird die Batterielebensdauer stark von den Leistungsanforderungen der Displayhintergrund beleuchtung beeinflußt. Somit muß Funktionalität beeinträchtigt werden, um Größe, Gewicht und Kosten zu minimieren. Avionikdisplays und andere Hochleistungssysteme fordern eine hohe Luminanz, legen jedoch dem Stromverbrauch aufgrund thermischer und Zuverlässigkeitseinschränkungen Begrenzungen auf. Projektionsdisplays sind extrem hohen Beleuchtungsniveaus ausgesetzt, und sowohl Erhitzung als auch Zuverlässigkeit müssen gehandhabt werden. Datenhelme (Head Mounted Displays), die polarisierte Lichtventile verwenden, sind besonders empfindlich gegenüber Leistungsanforderungen, da die Temperatur des Displays und der Hintergrundbeleuchtung auf akzeptablen Niveaus gehalten werden muß.
Displays nach dem Stand der Technik sind mit geringer Effizienz, schlechter Luminanzgleichförmigkeit, unzureichender Luminanz und übermäßigem Stromverbrauch behaftet, was in dem und um das Display herum unannehmbar hohe Hitzewerte erzeugt. Displays nach dem Stand der Technik weisen auch aufgrund des Energieverlusts in temperaturempfindlichen Komponenten einen nicht-optimalen Umgebungsbereich auf. Hintergrundlichtbaugruppen sind oftmals übermäßig groß, um die Gleichförmigkeit und Effizienz des Systems zu verbessern.
Mehrere Bereiche für eine Effizienzverbesserung lassen sich ohne weiteres identifizieren. Erheblicher Aufwand ist in das Verbessern der Effizienz der Lichtquelle (z.B. Fluoreszenzlampen) und Optimieren des Reflektierungsgrads und der Lichtverteilung von Hintergrundbeleuchtungshohlräumen gegangen, um hinter dem Display eine räumlich gleichförmige Lichtquelle mit hoher Luminanz bereitzustellen. Pixelöffnungsverhältnisse werden so hoch gelegt, wie das jeweilige LCD-Ansatz- und Herstellungsverfahren ökonomisch gestatten. Wenn Farbfilter verwendet werden, sind diese Materialien optimiert worden, damit man zwischen Effizienz und Farbumfang einen Kompromiß erhält. Reflektierende Farbfilter sind vorgeschlagen worden, um ungenutzte Spektralkomponenten zu einem Hintergrundbeleuchtungshohlraum zurückzuschicken. Wenn die Displayanforderungen dies gestatten, kann eine gewisse Verbesserung auch dadurch erhalten werden, daß der Bereich der Beleuchtungswinkel für die Displays über Richttechniken eingeschränkt wird.
Selbst mit dieser Optimierung nach dem Stand der Technik müssen Lampenleistungsniveaus unerwünscht hoch sein, damit man die gewünschte Luminanz erzielt. Wenn Fluoreszenzlampen mit ausreichend hohen Leistungsniveaus betrieben werden, damit man einen hohen Grad an Helligkeit für eine Cockpitumgebung erhält (als Beispiel), kann die erzeugte überschüssige Hitze möglicherweise das Display beschädigen. Um eine solche Beschädigung zu vermeiden, muß diese überschüssige Hitze abgeleitet werden. Die Wärmeableitung erfolgt in der Regel, indem ein Luftstrom so gelenkt wird, daß er auf die Komponenten in dem Display auftrifft. Leider enthält die Cockpitumgebung Schmutz und andere Verunreinigungen, die mit der auftreffenden Luft ebenfalls in das Display getragen werden, falls solche Druckluft überhaupt zur Verfügung steht. Gegenwärtig erhältliche LCD-Displays können das Hereinströmen von Schmutz nicht tolerieren und sind bald zu trüb und zu schmutzig, um effektiv zu arbeiten.
Ein weiterer Mangel beim Erhöhen der Leistung einer Fluoreszenzlampe liegt darin, daß die Langlebigkeit der Lampe dramatisch abnimmt, wenn noch höhere Niveaus an Oberflächenluminanz gefordert werden. Das Ergebnis ist, daß die Alterung beschleunigt wird, was in kurzen Zeitperioden einen abrupten Ausfall verursachen kann, wenn die Betriebsgrenzen überschritten werden.
Erhebliche Betonung muß auch auf das Optimieren der Polarisatoren für diese Displays gelegt werden. Indem die Durchlaßachsentransmittanz verbessert wird (der theoretischen Grenze von 50% annähernd), sind die Leistungsanforderungen reduziert worden, doch der größte Teil des verfügbaren Lichts wird immer noch absorbiert, was die Effizienz einschränkt und zu Polarisatorzuverlässigkeitsproblemen in Systemen mit hohem Durchsatz sowie potentiellen Fragen zur Bildqualität führt.
Anordnungen nach dem Stand der Technik beinhalten die Verwendung von Brewster-Winkel-Reflexionen, Dünnfilmpolarisatoren, doppelbrechenden Kristallpolarisatoren und kollesterischen Zirkularpolarisatoren. Diese Ansätze nach dem Stand der Technik sind zwar ziemlich effektiv, doch sind sie im Hinblick auf Beleuchtungs- oder Betrachtungswinkel sehr begrenzt, wobei mehrere auch eine signifikante Wellenlängenabhängigkeit aufweisen. Viele von diesen treiben die Komplexität, die Größe oder die Kosten für das Projektionssystem erheblich hoch und sind unpraktisch bei Direktbetrachtungsdisplays. Keine dieser Lösungen nach dem Stand der Technik läßt sich ohne weiteres auf Hochleistungsdirektbetrachtungssysteme anwenden, die eine große Betrachtungswinkelleistung erfordern.
Im Stand der Technik (US-Patent 4,688,897) wird auch der Austausch der hinteren Pixelelektrode in einem LCD durch einen Drahtgitterpolarisator gelehrt, um die effektive Auflösung von reflektierenden TN-(Twisted Nematic)Displays zu verbessern, wenngleich diese Literaturstelle verfehlt, das reflektierende polarisierende Element zur Polarisationskonversion und zum Wiedereinfangen anzuwenden. Die Vorteile, die durch den Ansatz erzielt werden können, wie in dem Stand der Technik verkörpert, sind recht begrenzt. Er gestattet im Prinzip, daß der Spiegel in einem reflektierenden LCD zwischen dem LC-Material und dem Substrat plaziert wird, wodurch der TN-Modus mit einem Minimum an Parallaxenproblemen im reflektierenden Modus verwendet werden kann. Wenngleich dieser Ansatz auch als eine transflektive Konfiguration vorgeschlagen worden ist, wobei der Drahtgitterpolarisator anstelle des teilweise versilberten Spiegels oder einem vergleichbaren Element verwendet wird, stellt der Stand der Technik keine Mittel bereit, um für transflektive Displays über normale Beleuchtungskonfigurationen einen hohen Kontrast aufrechtzuerhalten, weil der Displaykontrast in dem hintergrundbeleuchteten Modus in dem entgegengesetzten Sinne dessen für Umgebungsbeleuchtung ist. Infolgedessen gibt es einen beträchtlichen Bereich von Umgebungsbeleuchtungsbedingungen, bei denen die beiden Lichtquellen einander aufheben und das Display unlesbar wird. Ein weiterer Nachteil des Stands der Technik besteht darin, das es überhaupt nicht einfach ist, auf diese Weise einen diffus reflektierenden Polarisator zu erzielen, und deshalb ist der reflektierende Modus am meisten auf spiegelnde Systeme vom Projektionstyp anwendbar.
Aus EP 0 597 261 ist eine Beleuchtungseinrichtung für ein Displayelement vom Direktbetrachtungstyp bekannt, die einen flachen Lichtleiter umfaßt; wobei eine Lichtquelle derart besetzt ist, daß Licht auf einen Seitenabschnitt des flachen Lichtleiters fällt; wobei eine polarisierte lichttrennende Folie auf einer ersten Seite einer lichtemittierenden Stelle des flachen Lichtleiters gesetzt ist, um eine p-polarisierte Lichtkomponente durchzulassen und mindestens einen Teil einer s-polarisierten Lichtkomponente bezüglich eines Lichtstrahls zu reflektieren, der im wesentlichen eine vorbestimmte Einfallsrichtung aufweist; und wobei eine lichtreflektierende Folie auf einer zweiten Seite gegenüber der lichtemittierenden Stelle des flachen Lichtleiters parallel zu der lichtemittierenden Stelle angeordnet ist.
Ein Dokument mit dem Titel „Polarizer", Research Disclosure, Kenneth Mason Publications, Juli 1993 (anonym) offenbart einen Polarisator, der eine zwischen zwei Glasplatten vorgesehene Schicht aus doppelbrechendem Material enthält. Das doppelbrechende Material enthält Kügelchen mit einem Brechungsindex entsprechend dem gewöhnlichen Brechungsindex des doppelbrechenden Materials.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine polarisierte TIR-Hintergrundbeleuchtung bereit, die eine PSSE-Polarisationssteuerung verwendet. Die Hintergrundbeleuchtung kann die Merkmale eines oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 oder 3 enthalten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, die optische Effizienz von polarisierten Displays zu verbessern, insbesondere Direktbetrachtungs-Flüssigkristalldisplays (LCDs) und Projektions-LCDs.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, diese Effizienzerhöhung bereitzustellen und gleichzeitig die breite Betrachtungswinkelkapazität beizubehalten und die Einführung chromatischer Verschiebungen oder räumlicher Artefakte zu minimieren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, die Absorption von Licht durch polarisierte Displays zu reduzieren, wobei die Erhitzung des Displays und die Verschlechterung der Displaypolarisatoren auf ein Minimum reduziert wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung kann darin bestehen, eine LCD mit erhöhter Displayhelligkeit bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, die Leistungsanforderungen für LCD-Hintergrundbeleuchtungssysteme zu reduzieren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, die Displayhintergrundbeleuchtungsgleichförmigkeit zu verbessern, ohne in anderen Bereichen Leistungen zu opfern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, diese Aufgaben auf kosteneffektive und kompakte Weise mit nur einem nominellen Neudesign des Displaysystems in den meisten Fällen auf eine Weise zu erzielen, die mit einer großen Vielfalt von Beleuchtungsquellen kompatibel ist, und ohne die Notwendigkeit für eine Modifikation der Lichtventile.
Diese und andere Aufgaben können gelöst werden durch Verwalten der Absorption optischer Energie innerhalb des polarisierten Displaysystems. Insbesondere werden die mit dem Polarisieren des Lichts assoziierten Verluste und Nebeneffekte über die vernünftige Verwendung von spezialisierten nicht absorbierenden Polarisationsmechanismen, insbesondere mikrostrukturelle Verbundmaterialien aus Materialien mit einer anderen Doppelbrechung, im weiteren als polarisationsempfindliche streuende Elemente (PSSE) bezeichnet, reduziert oder umverteilt.
Die Absorption von Licht durch ein Display wird auf ein Minimum reduziert, indem das PSSE verwendet wird, um das normalerweise von einem herkömmlichen Polarisator polarisierte Licht zu polarisieren oder vorzupolarisieren.
Diese PSSE-Konfigurationen können angewendet werden, um die Leistung von hintergrundbeleuchteten Direktbetrachtungsdisplays zu verbessern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein hintergrundbeleuchtetes LCD-Display.
2 zeigt vorhergesagte Verbesserungen, die sich aus dem hintergrundbeleuchteten Display von 1 ergeben.
3a–h zeigen auseinandergezogene Ansichten von mehreren Kandidatenelementen der Erfindung.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für ein hintergrundbeleuchtetes Display.
5 zeigt ein Displaysystem, das eine polarisierte TIR-Hintergrundbeleuchtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.
6-12 zeigen weitere Beispiele für Displays.
BESCHREIBUNG
Ein hintergrundbeleuchtetes LCD-Display ist in 1 dargestellt. Das Display enthält eine innerhalb eines diffus reflektierenden Hohlraums 11 angeordnete Lichtquelle 13. Licht von der Lichtquelle tritt durch einen Diffusor 14 sowie durch ein polarisationsempfindliches streuendes Element (PSSE) 17 hindurch. Licht von dem PSSE 17 läuft dann zu dem LCD-Panelabschnitt des Displays, das das LCD-Panel 10, einen hinteren Polarisator 16 und einen vorderen Polarisator 15 umfaßt. Das PSSE wird verwendet, um das Licht vorzupolarisieren, bevor es den hinteren Displaypolarisator erreicht. Das polarisierte Displaypanel 10 ist beispielsweise ein monochromes oder vollfarbiges AMLCD, STNLCD, ferroelektrisches LCD oder ein anderer Lichtmodulator, der dahingehend funktioniert, daß er die Polarisation des einfallenden Lichts zwischen dem hinteren und vorderen Polarisator 16 und 15 manipuliert. Die Hintergrundbeleuchtung liegt in Form eines diffus reflektierenden Hohlraums 11 vor, der aus weißen Wänden besteht und eine oder mehrere Fluoreszenzlampen 13 enthält. Das einzigartige Attribut dieses Displays ist der Zusatz des polarisationsempfindlichen streuenden Elements (PSSE) 17. Dies ist ein flaches, dünnes optisches Element, das als ein nicht absorbierender Vorpolarisator dient. Das PSSE läßt den größten Teil des entlang einer optischen Achse polarisierten Lichts durch und schickt den größten Teil des Lichts mit der orthogonalen Polarisation zu dem Hintergrundbeleuchtungshohlraum zurück, wo sein Polarisationszustand geändert wird und es eine weitere Gelegenheit erhält, zu der Ausgabe der ersten Polarisation beizutragen. PSSE-Strukturen mit diesen Eigenschaften werden unten beschrieben.
Es ist vorteilhaft, zum Verstehen dieser Konfiguration ein einfaches Modell zu errichten. Es wird ohne weiteres gezeigt, daß unter der Annahme einer gleichförmigen Intensität in dem Hintergrundbeleuchtungshohlraum die Ausgabeintensität I_out (z.B. Watt/cm², Footlambert, Candela/m², je nach der Wahl der Einheiten und Gewichtungsfunktionen) ungefähr gegeben ist durch
wobei P_in die eingegebene optische Leistung (in der entsprechenden Form), T_port die Transmittanz des oder der Elemente ist, die den Port des Hohlraums (üblicherweise das Displaypanel) bedecken, R_port der Reflexionsgrad des oder der den Port bedeckenden Elemente ist, A_port die Fläche des Ports ist und l_box ist der äquivalente Schwarzverlustbereich des Rests des Hohlraums. Die Größe von l_box im Vergleich zu A_port liefert eine nützliche Charakterisierung hinsichtlich der Verlustbehaftetheit des Hintergrundbeleuchtungshohlraums. l_box ist die gewichtete Summe aller Oberflächeninhalte in dem Hohlraum mal ihrem jeweiligen Verlust (Absorptionsgrad plus Transmittanz, wenn das durchgelassene Licht den Hohlraum verläßt) und stellt somit den Bereich eines äquivalenten schwarzen Flecks dar, wenn alle Hohlraumverluste zu einem Gebiet kombiniert würden.
Der Diffusor und das PSSE können natürlich so betrachtet werden, daß sie mit identischen Ergebnissen entweder zu dem Hohlraum gehören oder den Port bedecken. Dazu muß erkannt werden, daß Verluste mit dem Verhältnis der lokalen Intensität an dem Fleck zu der an dem Port einfallenden Intensität effektiv weiter gewichtet werden, wodurch sowohl die Dämpfung durch den Diffusor als auch die unvermeidliche Ungleichmäßigkeit innerhalb der meisten Hohlräume in der Praxis berücksichtigt werden.
Es sei beispielsweise angenommen, daß die Transmittanz des Panels 3% beträgt und einen Reflexionsgrad von 0% aufweist und daß der Diffusor als Teil des Hohlraums angesehen wird, aber ein PSSE zwischen dem Diffusor und dem Panel zu den Parametern des Ports (des Panels) in der Gleichung beiträgt. Wenn das PSSE die Form eines rückstreuenden Polarisators annimmt (Durchlaßachsentransmittanz von T_pass und Gesamtreflexionsgrad von R_total), dann erhält man eine direkte Verbesserung von
2 zeigt diese Beziehung für mehrere Vorpolarisatorleistungsniveaus. Für ideale Komponenten existiert das Potential für eine Verbesserung von 100%. Wir haben PSSEs (unten beschrieben) mit T_pass und R_total in der Nachbarschaft von 90% beziehungsweise 45% hergestellt und tatsächlich gemessene Durchlaßachsenausgabeerhöhungen gemessen, die sich für sehr verlustarme Hohlraumdesigns 40% annähern, ohne daß die chromatische oder Winkelgleichförmigkeit des Lichts beeinträchtigt wird. Dies bestätigt die Modellgültigkeit und zeigt zum ersten Mal ein praktikables Verfahren zum Wiedereinfangen eines signifikanten Anteils der Polarisation, die normalerweise in einem Direktbetrachtungsdisplaysystem mit breitem Betrachtungswinkel verloren geht.
Der Schlüssel, um diesen Ansatz praktikabel zu machen, ist die Anwendung eines nicht absorbierenden polarisierenden Mechanismus mit geeigneten Eigenschaften. Zu den idealen Eigenschaften zählen eine sehr geringe Absorption, eine sehr hohe Durchlaßachsentransmittanz, ein signifikanter Gesamtreflexionsgrad, eine minimale Winkelabhängigkeit, spektrale Breitbandigkeit, vergleichbare Symmetrie der optischen Achse mit einem parallel ausgerichteten absorbierenden Polarisator und Freiheit von anderen Artefakten. Außerdem sollte der Vorpolarisator das Potential haben, dünn, großflächig, leichtgewichtig, robust und preiswert zu sein. In dem Stand der Technik beschriebene Polarisatoren für den Einsatz im Polarisationskonvertierungsverfahren erfüllen nicht diese umfangreiche Liste an Anforderungen.
Es wird eine Klasse von polarisierenden Strukturen vorgestellt, die die oben angeführten Anforderungen erfüllt, was es ermöglicht, daß die Effizienzverbesserungen und andere Leistungsverbesserungsverfahren auf effektive und praktische Weise implementiert werden. Die hier beschriebenen neuen Polarisatoren und Anwendungen werden erzielt unter Verwendung von polarisationsempfindlichen streuenden Elementen, hergestellt aus mikrostrukturellen Verbundmaterialien aus Materialien mit Unterschieden bei der Doppelbrechung. Materialien mit statischen streuenden Eigenschaften, die polarisationsabhängig sind, sind seit Jahrzehnten bekannt, haben aber wenig Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Land beschreibt 1951 eine Suspension aus ausgerichteten doppelbrechenden Kristallen, in eine Polymermatrix eingebettet, als diffus für eine Polarisation und klar für die andere. US-Patent 4,685,771 beschreibt eine polymerdispergierte Flüssigkristall-(PDLC)-Struktur, und andere haben verwandte Polymernetz-LC-Struktur mit ähnlichen polarisationsempfindlichen streuenden Eigenschaften gemeldet.
Es sollte hervorgehoben werden, daß das Vorliegen von polarisationsempfindlichen streuenden Eigenschaften von sich aus nicht ausreicht, um in dem Display eine Polarisation oder sogar eine Vorpolarisation bereitzustellen. Die meisten PSSE-Strukturen sind von Natur aus vorwärtsstreuend und weisen einen gewissen Grad an Streuung für beide Polarisationsachsen auf, wenn auch mit einem Unterschied bei der Größe. Es ist notwendig, eine der Polarisationen bezüglich der anderen irgendwie physisch zu trennen oder auszuschließen. Dies erfolgt durch Kombinationen von drei verschiedenen Mechanismen. Dieses sind das stark mehrfache Streuen, die innere Totalreflexion (TIR) und Apertureffekte (z.B. räumliche Filtration).
Die 3a–h zeigen eine Vielfalt von PSSE-Ausführungsformen, die sich als Teil der vorliegenden Erfindung eignen. Wenngleich einige der hier beschriebenen PSSE-Strukturen oder Herstellungsverfahren bekannt sind, werden andere hier zum ersten Mal vorgestellt. Zusätzliche Verfahren und verwandte Strukturen sind möglich.
PSSE 20 in 3a ist eine uniaxiale homogen ausgerichtete PDLC-Struktur 20. LC-Tröpfchen 22 werden in eine Polymermatrix 21 eingebettet unter Verwendung von in der Technik wohlbekannten Verfahren ausgebildet. Zu diesen zählen polymerisationsinduzierte Phasentrennungs- und Emulgierungs-/Verkapselungsverfahren, und sie können auch die Form einer Polymernetz-LC-Struktur annehmen, bei dem die „Tröpfchen" nicht ausgeprägt, sondern vielmehr miteinander verbunden sind. Bei diesen Strukturen wird der LC aufgrund des mit der Dehnung des Tröpfchens oder Netzes assoziierten Zustandes kleinster freier Energie ausgerichtet. Die Dehnung wird beispielsweise induziert, indem der Film entlang der Achse 23 physisch gestreckt wird, nachdem sich die Tröpfchen ausgebildet haben, und mit der Polymermatrix in einem thermisch erweichten Zustand. Die Brechungsindizes des LC werden so gewählt, daß entweder der ordentliche oder der außerordentliche Index des LC dem entsprechenden Index des Polymers entspricht, und derart, daß der andere Index stark fehlangepaßt ist. Es sei auch angemerkt, daß das Polymer ebenfalls doppelbrechend sein kann, insbesondere wenn es gestreckt wird, daß aber die Doppelbrechung der beiden Materialien unterschiedlich sein sollte, um eine Fehlanpassung bei der Streueffizienz für die beiden Polarisationsachsen sicherzustellen.
Dieses gestreckte PDLC ist die weiter oben erörterte Struktur hinsichtlich der Demonstration eines effektiven Polarisationswiedereinfangungsverfahrens für weitwinklige Direktbetrachtungsdisplays. Ein geeignetes stark doppelbrechendes LC wurde in einer PVA/Wasser-Lösung emulgiert. Durch Auftragen und Trocknen der emulgierten Lösung auf einem Substrat wurde ein Film hergestellt. Der resultierende Film wurde bei aufgewendeter Hitze gestreckt und danach zwischen tragenden Substraten laminiert, um die Ausrichtungsgeometrie beizubehalten.
Der Einsatz typischer PDLC-Filmbeschichtungsdicken führt zu einer relativ schwachen Rückstreuung insbesondere nach dem starken Streckverhältnis, das verwendet wird, um die Ausrichtung des LC zu maximieren. Um die optischen Parameter in Richtung der eines effektiven polarisierenden Elements für die Konfiguration in 1 zu treiben, wurde ein stark mehrfach streuendes Design implementiert. Die außerordentliche Brechungsindexfehlanpassung wurde maximiert, und die ordentliche Indexfehlanpassung wurde minimiert, wobei gleichzeitig ein akzeptabler Nutztemperaturbereich aufrechterhalten wurde. Die Dicke des gestreckten Films wurde erhöht, bis Reststreuung durch die relativ gut angepaßten ordentlichen Achsen die (schwach streuende) Durchlaßachsentransmission bei Vorliegen des diffusen Hintergrundbeleuchtungshohlraums zu reduzieren begann. Um diesen Verlust bei der Durchlaßachsentransmittanz weiter zu minimieren, wurde ein hohes Streckverhältnis verwendet, um die Ausrichtung des LC zu maximieren. Die Rückstreuung wurde weiter verstärkt durch Aufrechterhalten eines Luftspalts nach dem PSSE-Substrat, der ausreicht, um die TIR von vielen der vorwärts gestreuten außerordentlichen Strahlen zu unterstützen. Nach einer internen Reflexion werden diese Strahlen wieder von der PSSE-Schicht mit einer signifikanten Wahrscheinlichkeit gestreut, daß sie aus der Baugruppe heraus und in Richtung der Quelle nach einer einzelnen TIR gestreut werden.
Photopische Messungen mit einer diffusen integrierenden Kugellichtquelle haben gezeigt, daß frühe Prototypen etwa 90% und 30% der Durchlaßachsen- und Zurückweisungsachsenpolarisationskomponenten durchlassen. Der typische Gesamtreflexionsgrad wurde anhand der gleichen Elemente als etwa 45% gemessen. Wie oben angedeutet war dies adäquat, um in Hohlräumen mit sehr geringem Verlust Verbesserungen zu erhalten, die sich 40% annähern. Tests, bei denen diese frühen Prototypen mit weniger optimierten Hohlraumdesigns verwendet wurden, führten zu geringfügig niedrigeren, aber immer noch signifikanten Verstärkungsfaktoren.
Diese Daten zeigen auch, daß das so demonstrierte rückstreuende PSSE zusätzlich zu der Effizienzverbesserung die von dem hinteren absorbierten Polarisator absorbierte optische Energie etwa um einen Faktor von 3 reduziert, wodurch die optische Erhitzung des Displays und etwaige assoziierte Effekte auf Bildqualität oder Zuverlässigkeit stark reduziert werden.
Freiheit von Farbverschiebungen erhält man, weil die Mikrostruktur nicht kohärent periodisch ist. Die Farbverschiebung, die sich aus dem Einsetzen des Elements in das Displaysystem ergab, war klein, wenn auch die Transmittanz in den tiefblauen Wellenlängen geringfügig niedriger war. Noch wichtiger jedoch wurde über den vollen Betrachtungswinkelbereich von ± 60° und darüber hinaus so gut wie keine Farbverschiebung und nur eine minimale Durchlaßachsentransmittanzvariation beobachtet, wenn die polarisierenden Effekte von Oberflächenreflexionen mit geeigneten Antireflexbeschichtungen eliminiert wurden. Dies bestätigt ohne weiteres die Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung zur Effizienzverbesserung bei den schwierigen Anwendungen mit einem breiten Betrachtungswinkel im Gegensatz zu auf stark gerichtete Beleuchtung begrenzten Polarisationskonvertierungsverfahren nach dem Stand der Technik.
Diese Breite-Betrachtungswinkel-Kompatibilität wird in dem beschriebenen Fall erwartet, da die Wellenlängenabhängigkeit des Streuens stetig variiert und die optische Achsensymmetrie identisch zu der des entsprechenden Polarisators auf der Rückseite des LCD-Panels ist, vorausgesetzt der Polymermatrixindex entspricht dem ordentlichen Index des LC in dem ausgerichteten Tröpfchen.
Die zweite PSSE-Struktur 30 in 3b ist ebenfalls eine PDLC-Struktur. In diesem Fall wird die LC-Ausrichtung in den Tröpfchen 32 anstatt durch ein physisches Mittel wie etwa Strecken durch angelegte seitliche elektrische Felder induziert. Da die Feldrichtung orthogonal zu herkömmlichen angelegten Feldern in LCDs verläuft, wird eine spezielle Ansteuerkonfiguration benötigt. Eine Möglichkeit, um eine derartige mittlere Feldverteilung durch die Matrix 31 und Tröpfchen 32 hindurch zu erzielen, besteht darin, eine erste Spannung an Elektroden 33 und eine zweite Spannung an Elektroden 35 anzulegen, wodurch die ordnungsgemäße Feldausrichtung in dem Volumen zwischen dem Elektrodenpaar 34 induziert wird. Dieses angelegte Spannungsmuster wird unter Verwendung der Elektroden 34 und 36 mit einem ähnlichen Muster abgewechselt, um das Gebiet zwischen dem Elektrodenpaar 35 auszurichten. Das Muster wird über den ganzen Polarisatorbereich hinweg wiederholt, wobei beispielsweise Sätze von ineinandergreifenden Elektroden auf jedem Substrat verwendet werden. Während die mit der Ansteuerelektronik assoziierten Gemeinkosten möglicherweise unerwünscht sind, ist unter Verwendung dieses Verfahrens ein effektives Element möglich.
Die PSSE-Struktur 40 stellt einen verwandten Ansatz ohne Ansteueranforderungen dar. Bei diesem Beispiel werden wieder innerhalb der Polymermatrix 41 nematische LC-Tröpfchen 42 ausgebildet. Ein ausrichtendes Feld wird angelegt, doch dieses Mal durch einen Felderzeugungsmechanismus außerhalb der Baugruppe. Die Feldpole 43 bis 46 stellen Elektroden dar, die paarweise angesteuert werden, um, ein ausrichtendes Feld adäquater Größe innerhalb der PDLC-Schicht zu produzieren. Das Gebiet kann gegebenenfalls in ein geeignetes dielektrisches Fluid eingetaucht werden, damit eine ausreichende Feldstärke angelegt werden kann. In dem Gebiet mit einem gleichförmigen seitlichen Feld wird die induzierte Ausrichtung über einen von mehreren Mechanismen festgesetzt. Dazu können zählen die Anwendung von lokalisiertem UV-Licht 47, maskiert durch eine Apertur 48, vorausgesetzt der LC ist UV-härtbar. Solche polymerisierbaren LC-Materialien existieren im Stand der Technik. Alternativ wurde über LC-Polymernetze berichtet, bei denen die UV-Exposition einen UV-härtbaren Monomerdotierstoff polymerisiert, um ein zerstreutes Netz auszubilden, das, nachdem das Feld entfernt worden ist, effektiv eine Ausrichtung aufrechterhalten kann Als noch weitere Option gibt es polymere LCs, deren Feld bei Erhitzung über dem Glasübergang ausgerichtet werden kann, aber ihre induzierte Ausrichtung beibehalten, wenn sie bei angelegtem Feld abgekühlt werden. In diesem Fall würde ein Hitzeimpuls anstelle der UV-Exposition angelegt werden. Noch eine weitere Variation zu diesem Verfahren ist die Verwendung von smektischen LC-Mischungen, die in der Lage sind, beim Abkühlen von der nematischen auf die niedrigere Temperatur und einer oder mehreren geordneten smektischen Phasen Geometrien mit ausgerichteter Orientierung festzusetzen.
Die Ausrichtung in 40 könnte alternativ magnetisch indiziert werden, vorausgesetzt eine adäquate Feldstärke steht zur Verfügung. Für vernünftige Tröpfchengrößen und diamagnetische Anisotropie könnten die Elektroden 43–46 durch starke Magneten ersetzt werden, die derart ausgerichtet sind, daß die jeweiligen Nordpole aller Magneten identisch nach rechts oder links weisen. Bei allen diesen Verfahren würde die relative Position des Ausrichtmechanismus entlang der Achse 49 parallel verschoben werden, damit der ganze Elementbereich ausgerichtet werden kann.
Die Struktur 50 in 3d zeigt eine weitere allgemeine Möglichkeit, wie PSSEs konstruiert werden können. In diesem Fall werden einen kleinen Durchmesser aufweisende doppelbrechende (z.B. gezogene oder gestreckte) Polymerfasern 52 auf eine Form gewickelt oder auf andere Weise aufeinander ausgerichtet und in einer Polymermatrix 51 eingebettet. Das Streuprofil hängt von dem Faserdurchmesser und der Anzahl von Fasern sowie anderen Parametern ab, aber die Symmetrie ist ähnlich der von Element 20. Ein signifikanter Unterschied ist die vergrößerte Länge der Fasern, was die Symmetrie der Streuung verändert. Variationen zu diesem Ansatz würden Fasern mit wenig oder keiner Doppelbrechung (z.B. Glas oder viele Polymere) in einer doppelbrechenden Matrix (z.B. polymerer Flüssigkristall oder ähnliches ausgerichtetes Material) beinhalten.
Dieser Ansatz kann so ausgeweitet werden, daß er drei Arten von Domänen enthält, wo die gestreckten Fasern selbst Dotierstoffteilchen oder -tröpfchen (z.B. Glas oder LC) mit einer Indexanpassung für eine Polarisation, aber nicht die andere, enthalten.
Die in 3e gezeigte analoge Struktur 60 ist hinsichtlich ihrer Form ähnlich der von Land beschriebenen, bei der doppelbrechende Kristalle (oder ähnliche Teilchen) 62 entlang der Achse 63 ausgerichtet und in einer nicht-doppelbrechenden Matrix 61 eingebettet sind. Das Element 60 könnte auch die Form eines homogen ausgerichteten Polymers wie etwa eines UV-härtbaren LC, Polymer-LC oder gestreckten Polymerfilms aufweisen, in den nicht-doppelbrechende Teilchen wie etwa Glas eingebettet worden sind.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen eines derartigen Elements besteht darin, einen Film mit Domänen aus zwei Polymertypen herzustellen. Diese Polymerdomänen teilen sich einen gemeinsamen ordentlichen Index und eine gemeinsame ordentliche Dispersion, weisen aber eine, bevorzugt hohe, anderen oder entgegengesetzte Doppelbrechung auf. Die Doppelbrechung wird während der Filmherstellung oder -verarbeitung induziert, wie etwa durch Extrudieren, Ziehen oder Strecken, wobei der resultierende Film entsprechende Eigenschaften für die vorliegenden Displayverbesserungen aufweist.
Element 70 in 3f zeigt noch eine weitere Konfiguration. Bei diesem Beispiel werden die Domänen in der Mikrostruktur aus einem einzelnen Material wie etwa einem UV-härtbaren LC erzeugt. Abwechselnde Domänen 72 und 71 werden durch lokales Polymerisieren der separaten Gebiete ausgebildet, wobei ein querverlaufendes ausrichtendes Feld angelegt ist bzw. nicht angelegt ist. Die UV-Exposition kann unter Verwendung eines gescannten Lasers oder durch Exposition durch eine Maske 73 erfolgen, und die Ausrichtung bei Fehlen des Feldes kann mit standardmäßigen Ausrichtschichtverfahren stabilisiert werden.
Ein Spezialfall der PSSE-Struktur ist das in 3g gezeigte Element 80. Hier sind vergleichbare Materialien und eine vergleichbare Physik involviert, doch weisen die Domänen die Form abwechselnder Schichten auf, wo nur ein Index angepaßt ist. Beispielsweise bestehen in dem gezeigten Beispiel die Schichten 81 aus dünnen Folien aus gestrecktem oder ansonsten doppelbrechendem Polymer. Diese werden durch Klebeschichten 82 miteinander gebondet, wobei der Brechungsindex des Klebers nur an den Brechungsindex für die Folien 81 angepaßt ist. Während das Ergebnis eine spiegelnde Reflexion ist, wird zu Zwecken der vorliegenden Erfindung dies aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit mit den anderen Verfahren als ein PSSE angesehen, doch in dem Wissen, daß die "Streuung" wohl definiert ist. Die Anzahl der für eine effiziente Polarisation erforderlichen Schichten kann je nach der Doppelbrechung, der relativen Kohärenzlänge des Lichts und des Einfallswinkels recht groß sein.
Das in 3h gezeigte Element 90 stellt einen weiteren Ansatz zu einem nicht-zufälligen polarisationsempfindlichen "Streuer" dar. Hier wird ein Array aus Linsen oder Mikrolinsen 91 (als eine Zylinderlinse gezeigt, aber optional linsenförmig in beiden Achsen) oder andere linsenförmige Mikrostrukturen aus einem doppelbrechenden Material ausgebildet und bevorzugt hinsichtlich des Indexes zwischen nicht-doppelbrechenden Substraten 92 und 93 angepaßt. Bei der gezeigten Ausführungsform wird 91 aus einem Polymer mit einer hohen Doppelbrechung konstruiert, wobei die optische Achse des Polymers entlang der Linsenachse verläuft. Der Nettoeffekt besteht darin, daß jede Linse 91 eine Brennpunktposition aufweist, die mit der Polarisationsachse variiert. Zusätzlich zu einer variablen Fokussierung der beiden Polarisationen können Reflexionen wie etwa innere Totalreflexion an den Grenzflächen auftreten. Ein Beispiel für eine derartige Struktur ist ein ausgerichtetes LC-Material zwischen einem flachen Substrat und einem strukturierten Substrat. Eine weitere Herstellungsoption ist das Bonden eines gestreckten geprägten Films auf einen zweiten Film, wobei die linsenförmige Oberfläche integral zu einem der Substrate ist. Dieses Beispiel eignet sich besonders gut für schwach streuende (diffuse) Konfigurationen, wo ein bekanntes Diffusionsprofil gewünscht wird.
Wenn die Lichtquelle zu dem Hohlraum wenig absorbierenden Verlust beiträgt, wie etwa der Fall mit Miniaturglühlampen, Laserdioden oder LEDs der Fall sein würde, kann das rückstreuende PSSE 17 voll ausgenutzt werden. Der Diffusor, falls verwendet, kann zwischen dem PSSE und dem Displaypanel plaziert werden, vorausgesetzt, es ist nicht-entpolarisierend. Viele Richtwirkungsmechanismen können verwendet werden, wie etwa der von 3M hergestellte prismatische Brightness Enhancing Film. Alternative Diffusoren können oftmals verwendet werden, da das von dem Vorpolarisator rückgestreute Licht eine Tendenz aufweist, die Gleichförmigkeit des Displays zu verbessern. Wenn der Diffusor zumindest bis zu einem gewissen Grad dieser Bürde enthoben wird, dann kann ein Diffusor mit höherer Transmission verwendet werden. Das Ergebnis ist, daß durch Einstellen des Systems hinsichtlich maximalen Vorteils es oftmals möglich ist, die von dem einfachen Modell in 3 vorhergesagte direkte Leistung signifikant zu übertreffen. Das PSSE kann auch direkt auf eine Fluoreszenzlampe oder über einer der gegenwärtig erhältlichen flachen Fluoreszenzlampen angewendet werden, wobei man einen optimalen Vorteil erhält, wenn die Lampenoberfläche sehr weiß erscheint.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Hintergrundbeleuchtungsdisplay, wie es möglicherweise in einem tragbaren Computermonitor verwendet werden könnte. Das Displaypanel 101 wird einschließlich des vorderen und hinteren Polarisators von der Hintergrundbeleuchtung 100 beleuchtet, wobei das rückstreuende PSSE 109 zwischen dem Panel und dem effektiven Lichthohlraum plaziert ist. Die Fluoreszenzlampen 103 koppeln Licht in die Enden eines Lichtleiters 102 ein. Das Licht wird durch interne Totalreflexion (TIR) innerhalb 102 eingeschlossen, mit Ausnahme dort, wo die TIR durch diffundierende Gebiete 104 vereitelt wird. Diese diffundierenden Gebiete können zahlreiche Formen annehmen, die alle Licht effektiv streuen oder ablenken, so daß ein Teil davon die Winkelanforderungen für TIR übersteigt. Dieses gestreute Licht, von dem ein Teil von einem Spiegel 105 umgelenkt wird, tritt aus dem Lichtleiter 102 durch eine Fläche 106 aus und tritt durch einen Diffusor 107 und einen Viertelwellenverzögerer 108 hindurch, bevor es das PSSE 109 erreicht. Der Verzögerer 108 ist bevorzugt ein achromatischer Viertelwellenverzögerer, wie in der Technik bekannt ist, und ist derart orientiert, daß von dem PSSE-Vorpolarisator rückgestreutes oder reflektiertes Licht in Zirkularpolarisation konvertiert wird. Die Elemente 102, 104, 105 und 107 sind alle so ausgewählt, daß sie nicht-entpolarisierend sind. Somit wird von den PSSE rückgestreutes Licht durch 108 in Zirkularpolarisation konvertiert, tritt durch 107, 106, 102 und mögliche Gebiete 104 hindurch, bevor es den Spiegel 105 erreicht. Bei Reflexion durch 105 wird die Zirkularhändigkeit der Polarisation umgekehrt und wird danach zur Entsprechung der Durchlaßachse des PSSE durch den nächsten Durchgang durch den Verzögerer 108 konvertiert. Auf diese Weise wird das rückgestreute Licht noch effektiver als in dem vorausgegangenen Beispiel genutzt, was zu noch höheren Verstärkungsfaktoren als durch das einfache Modell vorhergesagt führt, das einen vollständig entpolarisierten Hohlraum annahm. Zusätzliche Elemente, die nicht gezeigt sind, können ebenfalls beibehalten werden, wie etwa ein eine Richtwirkung induzierendes Element (z.B. linsenförmiges oder prismatisches Array) vor oder hinter dem PSSE 109. Wenn der Verzögerer 108 entfällt, sollten andere Entpolarisations- oder Polarisationsrotationsmittel vorgesehen werden.
5 zeigt ein Displaysystem unter Verwendung einer polarisierten TIR-Hintergrundbeleuchtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Hier ist die innere Totalreflexion der Hauptmechanismus, der verwendet wird, um selbst ein mäßig (z.B. vorwärts) streuendes PSSE zu einem effektiven nicht-absorbierenden Polarisator zu machen, wobei sich eine potentielle Verbesserung einer Faktor-von-2-Verbesserung sogar ohne ein stark rückstreuendes PSSE annähert. Das Displaypanel 111 einschließlich vorderer und hinterer Polarisator wird von der Hintergrundbeleuchtung 110 beleuchtet. Die Fluoreszenzlampe 113 koppelt unpolarisiertes Licht in das Ende des Lichtleiters 112 ein. Das Licht wird durch innere Totalreflexion (TIR) innerhalb von 112 eingeschlossen, außer dort, wo die TIR durch diffundierende Gebiete 114 vereitelt wird. Bei dieser Ausführungsform weisen die diffundierenden Gebiete die Form eines PSSE auf, das für eine Polarisation indexangepaßt ist, aber nicht für die orthogonale Polarisation. Das Ergebnis ist, daß TIR für nur eine ausgewählte Polarisation vereitelt wird, aber nicht für die andere. Dieses im wesentlichen linear polarisierte gestreute Licht, von dem ein Teil vom Spiegel 115 umgeleitet wird, tritt aus dem Lichtleiter 112 durch die Fläche 116 aus und tritt durch den polarisationserhaltenden Diffusor 117 zum Displaypanel 111 durch. Die Achse der selektiv gestreuten Polarisation ist so ausgewählt, daß sie der Durchlaßachse des hinteren Polarisators des Displaypanels 111 entspricht. Man beachte, daß dies der umgekehrte Fall der Situation in den vorausgegangenen Beispielen ist. Aus diesem Grund kann es einen Vorteil geben, den außerordentlichen Index in dem PSSE 114 hinsichtlich des Indexes anzupassen, anstatt den ordentlichen Index, wie in dem ersten PSSE-Beispiel oben beschrieben wurde. Die ungestreute Polarisation bleibt so lange in dem Lichtleiter gefangen, bis seine Polarisation dotiert wird, wie etwa durch den Viertelwellenverzögerer 118 und Spiegel 119 am entfernten Ende des Lichtleiters. Alternativ könnten an anderer Stelle im Lichtleiter die Polarisation beeinflussenden Mittel bereitgestellt werden. Natürlich können mehrere Lampen verwendet werden, auch kann ein stark rückstreuendes PSSE verwendet werden, und das PSSE braucht sich nicht an der hinteren Oberfläche zu befinden. Relevante PSSE-Konfigurationen beinhalten die als Elemente 50 und 90 in 3 gezeigten doppelbrechenden Faser- und linsenförmigen Ansätze, zwischen transparente Substrate gebondet, um den Lichtleiter 112 auszubilden.
Ein weiteres, in 6a und 6b gezeigtes Beispiel kombiniert eine Reihe von Versuchen nach dem Stand der Technik für eine hohe Flachpaneleffizienz zusammen mit dem vorliegenden Verfahren, um zum ersten Mal eine integrierte Lösung für das Problem der LCD-Effizienz zu ermöglichen. Bei typischen Farb-AMLCD-Transmittanzen in der Größenordnung von 3% ist aus dem zuvor vorgestellten einfachen Modell ohne weiteres ersichtlich, daß eine Verbesserung um eine Größenordnung erzielt werden könnte, wenn der äquivalente schwarze Bereich für den Hohlraum und Panel zusammen um etwa einen Faktor von 10 reduziert würde. Dies war nicht möglich, da zum Wiedereinfangen des Polarisationsverlusts in einem diffus hintergrundbeleuchteten Display dieser Art kein effektives Verfahren bekannt war. Somit war das beste, das erhalten werden könnte, ein Verlustbereich äquivalent zu mehr als der Hälfte der Panelgröße. Somit war die Effektivität von allen Effizienzverbesserungsverfahren nach dem Stand der Technik bisher stark eingeschränkt. Das Beispiel von 6 dient als ein Ermöglichungsverfahren, über das der volle Vorzug des ganzen Satzes von Verfahren erzielt werden kann. Diese Verfahren nach dem Stand der Technik können individuell oder in Kombination wie etwa in der Konfiguration von 6 verwendet werden.
In dem Beispiel von 6a wird ein Lichtkasten 140 aus einer gekrümmten Innenwand 143 und zwei Endwänden (nicht gezeigt) konstruiert. Diese sind aus Materialien mit einem sehr hohen diffusen Reflexionsgrad hergestellt, wie etwa Spectralon (erhältlich von Labsphere). Eine schwach absorbierende Lichtquelle 144, beispielsweise eine Fluoreszenzlampe oder ein Satz von Glühkolben, ist hinter einem Lichtblock 145 derart positioniert, das die inneren Oberflächen relativ gleichförmig beleuchtet werden, doch ist 144 bei Betrachtung durch den Port des Hohlraums nicht direkt sichtbar. Ein rückstreuendes vorpolarisierendes Element 141 ist beispielsweise ein PSSE mit verbesserter Rückstreuung, wie zuvor beschrieben, das dazu dient, die unerwünschte Polarisation effizient zu dem Hintergrundbeleuchtungshohlraum zurückzuschicken, während die gewünschte Polarisation zu dem polarisierten Displaypanel 120 durchgelassen wird. Die erweiterte Ansicht zeigt, wie der Gesamtreflexionsgrad des Vorpolarisators und Displaypanels noch weiter erhöht werden. Wie im Querschnitt von 6b gezeigt, ist 120 ein Farb-AMLCD, wobei sich Flüssigkristallmaterial 123 zwischen parallelen transparenten Substraten 121 und 122 befindet. Farbe wird bereitgestellt, indem benachbarte Gebiete des Displaypanels mit rot-, grün- und blauabsorbierenden Filtern 125, 127 bzw. 129 gefiltert werden, wie gezeigt. Um die Lichtabsorption durch diese Filter zu verringern, befinden sich reflektierende Farbvorfilter 124, 126 und 128 zwischen den absorbierenden Farbfiltermitteln und der Hintergrundbeleuchtung. Wenngleich die Filter so gezeigt sind, daß sie sich bei dieser Ausführungsform auf gegenüberliegenden Substraten befinden, könnten sie gewiß zusammen auf einem der Substrate konfiguriert sein. Jeder reflektierende Farbfilter, beispielsweise in Form eines mehrschichtigen dielektrischen Filters konstruiert, wie in der Technik wohl bekannt ist, läßt die gewünschten Spektralkomponenten für diesen Bereich über den erforderlichen Betrachtungswinkel hindurch und schickt dabei so viel wie möglich von dem unbenutzten Spektralbereich zurück. Beispielsweise läßt der dem rotabsorbierenden Filter 125 entsprechende reflektierende Filter 124 Rot durch, während er Grün und Blau reflektiert. Analog läßt 126 Grün durch, während er Rot und Blau reflektiert, und 128 läßt Blau durch, während er Grün und Rot reflektiert. Das Durchlaßband jedes Filters kann auf der langwelligen Seite erweitert werden, um gegebenenfalls breite Betrachtungswinkel zu berücksichtigen. Zudem sind das Gebiet zwischen dem aktiven Matrixpixeln von einem Rückreflektor 130 auf der Rückseite sowie einer schwarzen Matrix 131 auf der Vorderseite bedeckt. Das Display wird vervollständigt durch das Hinzufügen eines effizienten hinteren und vorderen Polarisators 132 und 133 sowie die aktive matrixadressierende Struktur, die nicht gezeigt ist. Diese Konfiguration maximiert die zum Hohlraum zurückgeschickte Lichtmenge. Die Effektivität dieser Verfahren nach dem Stand der Technik wie etwa den reflektierenden Farbfiltern wird durch das vorliegende Beispiel signifikant verbessert. Beispielsweise könnte im Stand der Technik der maximale Reflexionsgrad eines idealen roten Farbpunkts bis zu 33% betragen, was die Rückkehr von 2/3 des Lichts (Grün und Blau, aber nicht Rot) sowie die 50%ige Dämpfung durch den absorbierenden Polarisator darstellt. Das Hinzufügen des Vorpolarisators gestattet, daß dieser ideale Reflexionsgrad 83% beträgt (die gleichen 33% plus die von dem Vorpolarisator zurückgeschickten 50%), mit einem entsprechend signifikanten Potential für eine Effizienzverbesserung.
Während die absorbierenden Elemente 125, 127, 129, 131 und 132 in diesem Beispiel wegen der Leistung aufgenommen sind, können diese gewiß entfallen, wenn sie aufgrund von eingeschränkten Betrachtungswinkeln oder einer schwachen Frontbeleuchtung wie etwa Datenhelmen- oder Projektionsanwendungen nicht benötigt werden. Außerdem könnte gegebenenfalls ein Diffusor hinzugefügt werden, um Gleichförmigkeit sicherzustellen, und Richtwirkungssteuerelemente können ebenfalls hinzugefügt werden, wodurch der Gesamtreflexionsgrad des Ports noch weiter erhöht wird.
Die Polarisationssteuerung der diffus hintergrundbeleuchteten Beispiele erhöhen inhärent die Gleichförmigkeit dieser Systeme. Diese Gleichförmigkeitsverbesserung kann für noch weitere Effizienzgewinne eingetauscht werden, indem die diffuse Transmittanz des traditionellen Diffusorelements sogar bis zu dem Punkt erhöht wird, daß kein Diffusor vorliegt, wie in 6. Eine noch größere Gleichförmigkeitsverbesserung kann durch die Verwendung einer zusätzlichen Polarisationssteuerung in dem Hintergrundbeleuchtungshohlraum bereitgestellt werden.
7 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem eine noch größere Gleichförmigkeitsverbesserung durch die Verwendung zusätzlicher Polarisationssteuermechanismen bereitgestellt wird. Ein Lichtkasten 150 enthält Lampen 151, und sein Port ist von einem PSSE-Vorpolarisator 152 und Diffusor 153 (bevorzugt nicht-entpolarisierend) bedeckt, wodurch das Displaypanel 160 einschließlich vorderem und hinterem Polarisator eine Hintergrundbeleuchtung gegeben wird. Diese Konfiguration unterstützt Anwendungen mit starker Helligkeit, was den effizienten Einsatz vom relativ großen Fluoreszenzlampen gestattet (als Beispiel). Die Effizienz dieses Systems zu optimieren impliziert, daß man in 153 gerade ausreichend Diffusion hat, damit man die notwendige Gleichförmigkeit erhält. Eine ergänzende Lampe 157 wird verwendet, um Licht unter abwechselnden Beleuchtungsbedingungen bereitzustellen, beispielsweise nachts, wenn eine sehr geringe Luminanz erforderlich ist, oder wenn spektrale Einschränkungen gelten. In diesem Fall wird die Beleuchtung von der Lampe 157 vor dem Eintritt in den Haupthohlraum vorpolarisiert. Bei der gezeigten Ausführungsform erfolgt dies dadurch, daß 157 in einem getrennten Hohlraum 154 plaziert mit einem rückstreuenden PSSE 155 teilweise polarisiert wird. Diese Polarisation könnte alternativ durch andere Mittel erzielt werden, wie etwa durch Verwendung einer inhärent polarisierten Quelle oder durch Verwendung eines absorbierenden Polarisators anstelle von 155. Die Achse von 155 ist so orientiert, daß sie sich mit der Achse des Vorpolarisators 152 kreuzt. Der Nettoeffekt besteht darin, eine sehr hohe Diffusion (Verdunkelung) für die Direktbetrachtung der ergänzenden Lampe 157 bereitzustellen, aber eine geringe Diffusion für die Displaydurchlaßachsenpolarisation in allen anderen Fällen, einschließlich indirektem (und deshalb gleichförmigerem) Licht von der ergänzenden Lampe. Der durch 155 bereitgestellte Polarisationsgrad kann so gewählt werden, daß man maximale Gleichförmigkeit erhält, so daß der Bereich der ergänzenden Lampe weder zu hell noch zu dunkel ist. Auf diese Weise haben wir einen Hohlraum entwickelt, der für die Effizienz im Hochwelligkeitsmodus optimiert und gleichzeitig für Gleichförmigkeit in dem alternativen Beleuchtungsmodus optimiert ist, und auf eine Weise, auf die die ergänzende Lampe die Effizienz des Hochwelligkeitsmodus nicht signifikant stört.
Ein weiteres Beispiel ist in 8 gezeigt. Hier wird ein stark rückstreuendes polarisationsempfindliches streuendes Element als ein Vorpolarisator in einem leistungsstarken Projektionssystem wie etwa einem Diaprojektorsystem oder einem anderen Einzeldisplaypanelprojektor verwendet. Das polarisierte Lichtventil 170 mit einem vorderen und hinteren absorbierenden Polarisator wird durch eine hochintensive Lichtquelle 173 beleuchtet. Das von dem Lichtventil modulierte und weitergeleitete Licht wird von einer Optik 174 auf einen nicht gezeigten Schirm projiziert. Der Vorpolarisator 175 ist zwischen der Lichtquelle und dem Displaypanel positioniert und dient dazu, die von dem hinteren Polarisator des Displaypanels absorbierte Lichtmenge stark zu reduzieren. Der Vorpolarisator ist bevorzugt ein für ein signifikantes Rückstreuen optimiertes PSSE, wie zuvor beschrieben, wenngleich weniger Rückstreuung erforderlich ist, wenn die Entfernung zwischen 175 und 170 groß gemacht wird. Während dieses Beispiel keinerlei signifikantes Wiedereinfangen der ausgeschlossenen Polarisation bereitstellt, gestattet es eine indirekte Luminanzverbesserung dadurch, daß leistungsstärkere Lichtquellen und potentiell effizientere Polarisatoren verwendet werden können. Zumindest wird eine Reduzierung der Displayerhitzung die Zuverlässigkeit verbessern. Dieser Ansatz weist klare Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf, weil er flach, ohne Artefakte und relativ achromatisch ist und so gut wie keine Absorption aufweist, leicht in den optischen Weg eingesetzt wird, eine sehr hohe Transmission aufweisen kann und weiterhin die unerwünschte Polarisation breit diffundiert, wodurch thermische Probleme in nahegelegenen Komponenten auf ein Minimum reduziert werden.
Ein weiteres, in 9 gezeigtes Beispiel verwendet Polarisationsmanagementverfahren zu noch größerem Vorteil in einem polarisierten Projektionsdisplay. Hier wird das Displaypanel 180 von einer Lampe 183, einem Reflektor 184 und einer Linse 185 beleuchtet. Das Erhitzen des Lichtventils wird dadurch reduziert, daß einer oder in diesem Beispiel beide der Displaypolarisatoren 181 und 182 durch PSSEs ersetzt werden. Projektionsoptiken 186 werden verwendet, um das Displaypanel auf den Schirm 188 abzubilden. Die Projektionsoptiken 186 enthalten eine effektive Apertur 187, die den größten Teil des von einem oder beiden der PSSEs 181 und 182 gestreuten Lichts ausschließt. Auf diese Weise ist das einzige von dem Displaypanel absorbierte Licht das, das von der Lichtventilmatrixstruktur selbst absorbiert wird.
Beide vorausgegangenen Beispiele der 8 und 9 lassen sich ohne weiteres auf Mehrfachpanelprojektoren anwenden wie solche, die oft verwendet werden, um eine Vollfarbleistung bereitzustellen. Die Effektivität der hier gelehrten streuenden Projektionsdisplaypolarisatoren sind abhängig von der Trennung zwischen ihnen und den anderen Elementen wie etwa der Projektionslinsenapertur.
9 zeigt auch noch ein weiteres Merkmal. Um die Effizienz zu maximieren und gleichzeitig in dem gezeigten Frontprojektionsschirm hohen Kontrast, hohe Auflösung und einen sehr breiten Betrachtungswinkel aufrechtzuerhalten, wird als der Schirm 188 ein rückstreuendes PSSE verwendet. Dadurch erhält man einen recht hohen diffusen Reflexionsgrad, vorausgesetzt die projizierte Polarisation entspricht der Streuachse des Schirms. Dennoch wird die Reflexion für Umgebungslicht dramatisch reduziert, indem eine Polarisation durch das PSSE durchgelassen wird, möglicherweise zu einem (nicht gezeigten) schwarzen Träger. Der horizontale Betrachtungswinkel ist von Natur aus sehr breit, und die Auflösung wird hoch gehalten, indem die Schicht relativ dünn gehalten wird. Das Ausmaß der Streuung in der vertikalen Achse kann durch Oberflächentextur gesteuert werden oder durch Steuern der Längenskala der Tröpfchen oder einer anderen Brechungsindexvariation in der vertikalen Achse. Ähnliche Strukturen können für Rückprojektionsschirme verwendet werden, wodurch viele der mit linsenförmigen Ansätzen bei hoher projizierter Auflösung assoziierten Schwierigkeiten überwunden werden, und in diesem Fall würde eine starke Rückstreuung nicht erforderlich sein.
Ein weiteres Beispiel ist in 10 gezeigt. Dieses geht einen Schritt weiter als zuvorige Projektionsdisplaybeispiele, weil es eine Polarisationskonversion (Wiedereinfangen) für gerichtetes Licht zusätzlich dazu bereitstellt, daß die von dem absorbierenden Displaypolarisator absorbierte Leistung reduziert wird. Die Lichtquelle 190 ist eine Quelle kollimierter oder teilweise kollimierter Strahlen 191 mit einem Kegelwinkel oder einer Divergenz des Winkels 192. Diese Strahlen fallen auf den Polarisationskonverter 193 auf, der unpolarisiertes Licht mit geringem Verlust in überwiegend polarisiertes Licht konvertiert. Wie aus Polarisationskonvertierungsverfahren nach dem Stand der Technik für Projektionsdisplays gut verstanden wird, impliziert eine effektive Polarisationskonversion entweder eine Verbreiterung des Divergenzwinkels oder eine Vergrößerung der Querschnittsgröße des Beleuchtungsstrahls oder beides. In dem vorliegenden Fall verbreitert der Polarisationskonverter 193 den Divergenzwinkel von Winkel 192 auf Winkel 194 in mindestens einer Achse. Dieses größtenteils polarisierte Licht beleuchtet dann das polarisierte Lichtventil 195, wobei die Ausgabepolarisation von 193 auf die Durchlaßachse des hinteren Polarisators 198 angepaßt ist. Nach dem Hindurchtreten durch den vorderen Polarisator 199 wird das modulierte Licht dann von einer Optik 196 auf einen nicht gezeigten Schirm projiziert oder zur direkten Betrachtung wie etwa mit einem kollimierten Datenhelm. Um den maximalen Effizienzvorteil zu erhalten, liefert die Optik 196 einen ausreichenden Sammelwinkel, so daß der größte Teil der von dem Lichtventil modulierte Strahlen enthalten ist.
Die erweiterte Ansicht von Element 193 in 11 zeigt, wie dieses Beispiel konfiguriert ist. Das gerichtete Licht 201 trifft auf eine linsenförmige Oberfläche 210 des Substrats 211 auf. Dieses Substrat ist mit einer dazwischen liegenden PSSE-Schicht 202 an das Substrat 203 gebondet, wobei die PSSE-Schicht nur leicht vorwärts streut, wobei sie wie zuvor beschrieben konstruiert ist. Strahlen, die von dem PSSE ohne Streuung durchgelassen werden, treten durch die Löcher 205 in einem Halbwellenverzögerer 204 hindurch, wobei sich die Löcher dort befinden, wo die Strahlen von den individuellen kleinen Linsen fokussiert werden. Die meisten der Strahlen, die die orthogonale Polarisation aufweisen und die vorwärts gestreut werden, verpassen die Löcher und treten durch den Halbwellenverzögerer 204 hindurch und werden so gedreht, daß sie die gleiche Polarisation wie die fokussierten Strahlen aufweisen. Die Konvertierungseffizienz kann je nach der f-Zahl und der optischen Güte der kleinen Linsen und dem Grad ankommender Kollimation sowie dem Ausmaß an Reflexionsverlusten durch das Element recht hoch liegen. Zahlreiche alternative Formen lassen sich ohne weiteres vorstellen, wie etwa die Aufnahme eines polarisationserhaltenden Diffusors zwischen 203 und 204, wie dies in einer kollimierten Displayanwendung erforderlich sein könnte. Zahlreiche Strukturen mit kleinen Linsen und Verzögerer können verwendet werden, einschließlich zusätzlicher kleiner Linsen nach dem Verzögerer. Eine linsenförmige PSSE-Struktur wie etwa Element 90 in 3h könnte auch als die linsenförmige Struktur und das polarisationsempfindliche Element dienen, indem sie nur eine Polarisation fokussiert und nicht die anderen.
Wie bei den anderen Beispielen stellt das PSSE nicht selbst einen effektiven polarisierenden Mechanismus bereit. Hier wieder wird die Polarisation durch Kombinieren des PSSE mit einem geeigneten und neuartigen Aperturmechanismus erzielt.
Ein weiteres Beispiel, 12, veranschaulicht, wie die von dem PSSE angebotene einzigartige Polarisationssteuerung angewendet werden kann, um die Effizienz und Leistung reflektierender LCDs wie etwa gewöhnlicher segmentierter Displays zu verbessern, wo Umgebungslicht als die Lichtquelle verwendet wird. Bei diesem einfachen Beispiel wird ein LCD, das aus einem vorderen und hinteren transparenten Substrat 220 und 221 einer LC-Schicht 222 und nicht gezeigten elektrischen adressierenden Strukturen besteht, durch vordere Lichtstrahlen wie etwa Strahl 225 beleuchtet. Die Modulation des Lichts erfolgt durch selektive Modifikation des Polarisationszustands der Strahlen in Gegenwart des vorderen und hinteren absorbierenden Polarisators 223 und 224. Bei herkömmlichen Displays dieser Art ist der hinter dem hinteren Polarisator angeordnete Reflektor entweder polarisationserhaltend oder ganz diffus, aber nicht beides. Bei diesem Beispiel ist ein PSSE 226 hinter den hinteren Polarisator plaziert und wird gefolgt von einem Spiegel 227 (nur erforderlich, wenn das PSSE nicht stark rückstreuend ist). Die Streuachse des PSSE ist auf die Durchlaßachse von 224 ausgerichtet. Dadurch erhält man das stark diffuse Streuprofil, das in vielen Anwendungen erwünscht ist, ohne die mit einer Entpolarisation assoziierten Verluste einzuführen, da das PSSE die Polarisation recht gut beibehält. Bei einem gegebenen PSSE mit ausreichender Rückstreueffizienz können die Elemente 224 und 227 entfallen und eine schwarze Schicht hinter 226 plaziert werden, um die unerwünschte Polarisation zu absorbieren. Dieser Ansatz ist zwar in gewisser Weise Drahtgitterpolarisatorverfahren nach dem Stand der Technik für reflektierende Displays ähnlich, doch weist er wegen seines diffusen Reflexionsgradprofils und hohen Effizienz erhebliche Vorteile für den Direktbetrachtungsfall auf.

Claims

Polarisierte TIR-Hintergrundbeleuchtung (110) unter Verwendung einer Polarisationssteuerung, umfassend: eine Quelle (113) von Lichtstrahlen; ein reflektierendes Mittel (115, 112), neben der Quelle von Lichtstrahlen (113) positioniert; ein polarisationsempfindliches streuendes Element (114), im weiteren als ein PSSE (polarizationsensitive scattering element) bezeichnet, in der Nähe der Quelle von Lichtstrahlen, wobei das PSSE ein mikrostrukturelles Verbundmaterial aus Materialdomänen mit unterschiedlicher Doppelbrechung ist mit einer ersten streuenden Verteilung für Lichtstrahlen einer ersten Polarisation und mit einer zweiten streuenden Verteilung für Lichtstrahlen einer zweiten Polarisation; wobei das reflektierende Mittel einen Lichtleiter (112) mit Außenrändern und ersten und zweiten gegenüberliegenden Seiten enthält, wobei Licht von der Quelle (113) von Lichtstrahlen in den Lichtleiter entlang der Ränder des Lichtleiters eintritt und das PSSE innerhalb des Lichtleiters derart eingebettet ist, daß Lichtstrahlen der zweiten Polarisation innerhalb des Lichtleiters gefangen bleiben und die innere Totalreflexion für Lichtstrahlen der ersten Polarisation von dem PSSE derart vereitelt wird, daß ein Teil von Lichtstrahlen der ersten Polarisation abgelenkt wird und aus dem Lichtleiter austritt.
Hintergrundbeleuchtung nach Anspruch 1, weiterhin mit Polarisationsmodifikationsmitteln (118, 119), innerhalb des Lichtleiters angeordnet, um die Lichtstrahlen der zweiten Polarisation zu der ersten Polarisation derart umzuwandeln, daß die Lichtstrahlen von dem PSSE (114) abgelenkt werden können und aus dem Lichtleiter austreten.
Hintergrundbeleuchtung nach Anspruch 1, wobei die PSSE-(114)-Konfiguration räumlich variiert, damit man eine gleichförmige Verteilung der aus dem Lichtleiter austretenden Lichtstrahlen erhält.