DE69636661T2 - Polarisierte Anzeige mit hohem Wirkungsgrad - Google Patents

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    • G02F2203/00Function characteristic
    • G02F2203/03Function characteristic scattering

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft das Gebiet von polarisierten Anzeigen und insbesondere Anzeigen aufweisen, welche LCDs, ferroelektrische Anzeigen, Projektionsdisplays und andere ähnliche beleuchtete Anzeigevorrichtungen und -systeme.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Das Leistungspotenzial und die Flexibilität von polarisierten Anzeigen, insbesondere von jenen, welche elektrooptische Eigenschaften von Flüssigkristallmaterialien verwenden, führte zu einer starken Zunahme in der Verwendung dieser Anzeigen für eine große Vielfalt von Anwendungen. Flüssigkristallanzeigen (LCDs für engl. Liquid Crystal Displays) bieten die ganze Palette von äußerst niedrigen Kosten und schwacher Leistung (z.B. Anzeigen von Armbanduhren) bis zu sehr hoher Leistung und hoher Helligkeit (z.B. AMLCDs für Luftfahrtelektronikanwendungen, Computermonitore und HDTV-Projektoren). Viel von dieser Flexibilität kommt von der Lichtventilbeschaffenheit dieser Geräte, insofern der Abbildungsmechanismus vom Lichterzeugungsmechanismus getrennt wird. Obwohl dies ein gewaltiger Vorteil ist, ist es oft notwendig, Leistungsfähigkeit gegen bestimmte Kategorien, wie beispielsweise Leuchtdichtefähigkeit oder Stromverbrauch der Lichtquelle, einzutauschen, um die Bildqualität und die Wirtschaftlichkeit zu maximieren. Dieser reduzierte optische Wirkungsgrad kann auch zu Leistungsbeschränkungen unter starker Beleuchtung infolge von Erwärmung oder Abschattierung der Licht absorbierenden Mechanismen, die in den Anzeigen üblicherweise verwendet werden, führen.
  • Bei tragbaren Anzeigeanwendungen, wie beispielsweise hintergrundbeleuchteten Monitoren von Laptopcomputern oder Anzeigen von anderen Geräten, wird die Lebensdauer der Batterie stark vom Strombedarf des Hintergrundlichts der Anzeige beeinflusst. Demnach muss die Funktionalität preisgegeben werden, um die Größe, das Gewicht und die Kosten zu minimieren. Luftfahrtelektronikanzeigen und andere Hochleistungssysteme beanspruchen eine hohe Leuchtdichte, erlegen aber dem Stromverbrauch infolge von Temperatur- und Zuverlässigkeitsbedingungen Beschränkungen auf. Projektionsdisplays sind äußerst hohen Beleuchtungsniveaus ausgesetzt, und es müssen sowohl die Erwärmung als auch die Zuverlässigkeit gesteuert werden. Kopfmonitore, welche polarisierte Lichtventile verwenden, reagieren besonders empfindlich auf den Strombedarf, da die Temperatur des Monitors und des Hintergrundlichts auf annehmbaren Niveaus gehalten werden muss.
  • Anzeigen des Standes der Technik sind von einem niedrigen Wirkungsgrad, einer schlechten Leuchtdichtegleichmäßigkeit, einer unzureichenden Leuchtdichte und einem übermäßigen Stromverbrauch betroffen, was unannehmbar hohe Niveaus von Wärme in und um die Anzeige erzeugt. Anzeigen des Standes der Technik weisen infolge eines Energieverlusts in temperaturempfindlichen Komponenten auch einen nicht optimalen Umgebungsbereich auf. Die Hintergrundlichtbaueinheiten sind oft zu groß, um die Gleichmäßigkeit und den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern.
  • Mehrere Bereiche zur Verbesserung des Wirkungsgrades sind leicht zu erkennen. Große Mühe wurde aufgewendet, um den Wirkungsgrad der Lichtquelle (z.B. Fluoreszenzlampen) zu verbessern und das Reflexionsvermögen und die Lichtverteilung von Hintergrundlichthohlräumen zu optimieren. Pixelöffnungsverhältnisse werden so hoch gemacht, als es der jeweilige LCD-Ansatz und das jeweilige LCD-Herstellungsverfahren wirtschaftlich zulassen. Wo Farbfilter verwendet werden, wurden diese Materia- 1ien optimiert, um einen Kompromiss zwischen dem Wirkungsgrad und dem Farbumfang zu liefern. Reflexionsfarbfilter wurden vorgeschlagen, um unbenutzte Spektralkomponenten zu einem Hintergrundlichthohlraum zurückzuwerfen. Wenn es die Erfordernisse der Anzeige zulassen, können einige Verbesserungen auch durch Einschränken des Bereichs von Beleuchtungswinkeln für die Anzeigen durch Richtungstechniken erreicht werden.
  • Selbst bei dieser Optimierung des Standes der Technik müssen die Leistungsniveaus der Lampen unerwünscht hoch sein, um die erwünschte Leuchtdichte zu erreichen. Wenn Fluoreszenzlampen mit Leistungsniveaus betrieben werden, die hoch genug sind, um einen hohen Grad von Helligkeit zum Beispiel für eine Cockpitumgebung bereitzustellen, kann die überschüssige Wärme, die erzeugt wird, die Anzeige beschädigen. Um solch einen Schaden zu vermeiden, muss diese überschüssige Wärme abgeführt werden. Normalerweise wird die Wärmeabführung dadurch bewerkstelligt, dass ein Luftstrom derart gelenkt wird, dass er auf die Komponenten in der Anzeige auftrifft. Unglücklicherweise enthält die Cockpitumgebung Schmutz und andere Verunreinigungen, welche mit der auftreffenden Luft ebenfalls in die Anzeige mitgeführt werden, wenn solch eine Gebläseluft überhaupt verfügbar ist. Gegenwärtig verfügbare LCD-Anzeigen können den Eintritt von Schmutz nicht tolerieren und werden bald zu lichtschwach und zu schmutzig, um wirksam zu arbeiten.
  • Ein anderer Nachteil der Erhöhung der Leistung für eine Fluoreszenzlampe ist, dass die Lebensdauer der Lampe drastisch abnimmt, da noch höhere Niveaus von Oberflächenleuchtdichte verlangt werden. Das Ergebnis ist, dass die Alterung beschleunigt wird, was einen plötzlichen Ausfall in kurzen Zeiträumen verursachen kann, wenn Betriebsbeschränkungen überschritten werden.
  • Großes Gewicht wurde auch auf die Optimierung der Polarisatoren für diese Anzeigen gelegt. Durch Verbessern des Transmissionsgrades der Durchlassachse (auf die theoretische Grenze von 50% zugehend) wurde der Strombedarf verringert, aber der Großteil des verfügbaren Lichts wird noch immer absorbiert, was den Wirkungsgrad eingeschränkt und zu Problemen hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Polarisatoren in Systemen mit hoher Durchgangsleistung, sowie potenziellen Problemen bei der Bildqualität führt.
  • Etliche Polarisationsverfahren wurden zum Wiedereinfangen eines Teils des sonst verloren gegangenen Lichts und Reduzieren der Erwärmung in Projektionsdisplaysystemen vorgeschlagen. Diese umfassen die Verwendung von Polarisationswinkelreflexionen, Dünnfilmpolarisatoren, doppelbrechenden Kristallpolarisatoren und cholesterinischen Zirkularpolarisatoren. Obwohl einigermaßen wirksam, sind diese Ansätze des Standes der Technik hinsichtlich des Beleuchtungs- oder Betrachtungswinkels sehr eingeschränkt, wobei einige auch eine beträchtliche Wellenlängenabhängigkeit aufweisen. Viele von ihnen fügen dem Projektionssystem noch eine beträchtliche Komplexität, Größe oder erhebliche Kosten hinzu und sind auf Direktsichtanzeigen unpraktisch. Keine dieser Lösungen des Standes der Technik ist auf Hochleistungsdirektsichtanzeigesysteme, welche die Eigenschaft eines weiten Betrachtungswinkels erfordern, leicht anwendbar.
  • Im Stand der Technik (US-Patent 4,688,897) wird auch die Ersetzung der hinteren Pixelelektrode in einer LCD durch einen Drahtgitterpolarisator zum Verbessern der effektiven Auflösung von verdrillten nematischen (TN) Reflexionsanzeigen gelehrt, obwohl diese Bezugsquelle es verabsäumt, das reflektierende Polarisationselement zur Umwandlung und zum Wiedereinfang der Polarisation anzuwenden. Die Vorteile, welche durch diesen Ansatz, wie im Stand der Technik verwirklicht, erzielt werden können, sind ziemlich begrenzt. Er ermöglicht es im Prinzip, den Spiegel in einer reflektierenden LCD zwischen dem LC-Material und dem Substrat anzuordnen, wodurch es ermöglicht wird, den TN-Modus im Reflexionsmodus mit einem Minimum an Parallaxenproblemen zu verwenden. Obwohl dieser Ansatz auch als eine Transflexionskonfiguration vorgeschlagen wurde, welche den Drahtgitterpolarisator anstelle des teilweise versilberten Spiegel oder eines vergleichbaren Elements verwendet, stellt der Stand der Technik kein Mittel zum Aufrechterhalten eines hohen Kontrasts über normale Beleuchtungskonfigurationen für Transflexionsanzeigen bereit. Dies ist der Fall, da der Anzeigekontrast im hintergrundbeleuchteten Modus in der entgegengesetzten Richtung zu der für Umgebungsbeleuchtung ist. Folglich gibt es einen ziemlich großen Bereich von Lichtbedingungen der Umgebung, in welchen die beiden Lichtquellen einander aufheben, und die Anzeige wird unlesbar. Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik ist, dass das Erreichen eines diffus reflektierenden Polarisators auf diese Weise überhaupt nicht einfach ist, und infolgedessen ist der Reflexionsmodus am besten auf Spiegelungsprojektionssysteme anwendbar.
  • Das im Juli 1993 veröffentlichte Research Disclosure Journal Nr. 35177 mit dem Titel „Polariser" beschreibt eine LCD-Projektionsvorrichtung, in welcher das LCD-Element durch zwei Absorptionspolarisationsfolien eingeschlossen ist.
  • Die Internationale Patentbeschreibungsveröffentlichung Nr. WO 94/11776 offenbart einen Flüssigkristallprojektor, welcher eine Polarisationssteuerung verwendet, welche aufweist: eine Quelle von Lichtstrahlen; ein polarisationsempfindliches Element, das in der Nähe zu der Quelle von Lichtstrahlen angeordnet ist, wobei das polarisationsempfindliche Element im Wesentlichen durchlässig für Lichtstrahlen einer ersten Polarisation ist; ein Flüssigkristalllichtmodulationsmittel im Weg von Lichtstrahlen, welche durch das polarisationsempfindliche Element durchgelassen werden, wobei das Flüssigkristalllichtmodulationsmittel einen hinteren Polarisator einbindet; und eine Projektionsoptik; wobei das Flüssigkristalllichtmodulationsmittel Licht selektiv durchlässt, um ein gewünschtes Bild zu projizieren, und das polarisationsempfindliche Element ist zwischen der Quelle von Lichtstrahlen und dem Lichtmodulationsmittel angeordnet, um Lichtenergie, welche durch den hinteren Polarisator absorbiert wird, zu verringern.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen Flüssigkristall-Bildprojektor wie in Anspruch 1 definiert bereit.
  • Bevorzugt enthält der Projektor die Merkmale des abhängigen Anspruchs 2.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, die optische Wirksamkeit von Projektions-LCDs zu verbessern.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, die Absorption von Licht durch Flüssigkristall-Bildprojektoren zu reduzieren, wodurch die Erwärmung der Displays und die Verschlechterung der Displaypolarisatoren minimiert wird.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, diese Aufgaben in den meisten Fällen auf kosteneffektive und kompakte Weise mit einem nur nominellen Neudesign der Flüssigkristall-Bildprojektoren auf eine Weise zu erzielen, die mit einer großen Vielfalt von Beleuchtungsquellen kompatibel ist, und ohne Notwendigkeit zur Modifikation der Lichtventile.
  • Diese und weitere Aufgaben können durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt werden durch Handhaben der Absorption optischer Energie innerhalb der Flüssigkristall-Bildprojektoren. Insbesondere werden die Verluste und Nebeneffekte, die mit dem Polarisieren des Lichts assoziiert sind, über eine vernünftige Verwendung von spezialisierten nicht-absorbierenden Polarisationsmechanismen reduziert oder umverteilt, einschließlich Mikrostrukturverbundmaterialien mit unterschiedlicher Doppelbrechung, im weiteren als polarisationsempfindliche streuende Elemente (PSSE – polarisation sensitives gattering elements) bezeichnet.
  • Die volle Betrachtungswinkelkompatibilität wird im Fall einer diffusen Weitwinkelhintergrundbeleuchtung aufrechterhalten durch Anpassen der Symmetrie der PSSE auf die Symmetrie des herkömmlichen absorbierenden Polarisators. Freiheit gegenüber chromatischen Verschiebungen bei sich änderndem Winkel erhält man durch das Vermeiden von kohärenten Strukturen mit Periodizitäten in der Nähe der Wellenlänge des sichtbaren Lichts.
  • Die Absorption von Licht durch das Display wird minimiert durch Einsatz der PSSE, um das Licht zu polarisieren oder vorzupolarisieren, das normalerweise von einem herkömmlichen Polarisator polarisiert wird.
  • Kostenwirksamkeit erreicht man durch Einführen einer Reihe kompatibler PSSE-Strukturen und Variationen davon, in vielen Fällen als ein einfaches Zusatz- oder Austauschelement für herkömmliche Ansätze.
  • Diese PSSE-Konfigurationen werden in einer Reihe neuartiger und nicht offensichtlicher Ausführungsformen angewendet, um die Leistung von hintergrundbeleuchteten Direktbetrachtungsdisplays, Reflexionsdisplays und Projektionsdisplays zu verbessern.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 stellt eine erste Anordnung dar, welche ein PSSE einsetzt.
  • 2 stellt vorhergesagte Verbesserungen dar, welche aus der ersten Anordnung resultieren.
  • 3a–h stellen auseinander gezogene Ansichten von mehreren Versuchselementen der Erfindung dar.
  • 4 stellt eine zweite Anordnung dar, welche ein PSSE einsetzt.
  • 5 stellt eine dritte Anordnung dar, welche ein PSSE einsetzt.
  • 6 stellt eine vierte Anordnung dar, welche ein PSSE einsetzt.
  • 7 stellt eine fünfte Anordnung dar, welche ein PSSE einsetzt.
  • 8 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar.
  • 9 stellt eine sechste Anordnung dar, welche ein PSSE einsetzt.
  • 10 stellt eine siebte Anordnung dar, welche ein PSSE einsetzt.
  • 11 stellt eine Nahaufnahme des Polarisationswandlers gemäß 10 dar.
  • 12 stellt eine achte Anordnung dar, welche ein PSSE einsetzt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN ASUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Erfindung wendet die neuartigen Polarisationssteuerungseigenschaften von nicht absorbierenden polarisationsempfindlichen Streuelementen (PSSEs für engl. polarization sensitive scattering elements) an, um die Leistungsfähigkeit der polarisierten Anzeige auf eine vorher noch nicht mögliche oder gesehene Weise erheblich zu verbessern.
  • Die erste Anordnung, die in 1 dargestellt ist, weist eine Lichtquelle 13 auf, welche innerhalb eines diffus reflektierenden Hohlraums 11 angeordnet ist. Licht von der Lichtquelle geht durch einen Diffusor 14, sowie ein polarisationsempfindliches Streuelement (PSSE) 17 hindurch. Das Licht vom PSSE 17 geht dann durch den LCD-Feldabschnitt der Anzeige hindurch, welche das LCD-Feld 10, einen hinteren Polarisator 16 und einen vorderen Polarisator 15 aufweist. In der vorliegenden Anordnung wird das PSSE verwendet, um das Licht vorzupolarisieren, bevor es den hinteren Anzeigepolarisator erreicht. Andere Anordnungen bauen auf diesem Prinzip auf und werden durch dieses erste Beispiel allgemein eingeführt. Das polarisierte Anzeigefeld 10 ist zum Beispiel eine einfarbige oder vollfarbige AMLCD, STNLCD, ferroelektrische LCD oder ein anderer Lichtmodulator, welcher durch Verarbeiten der Polarisation des eingehenden Lichts zwischen dem hinteren und dem vorderen Polarisator 16 und 15 funktioniert. Das Hintergrundlicht ist in der Form eines diffus reflektierenden Hohlraums 11, der aus weißen Wänden besteht und Fluoreszenzlampe(n) 13 enthält. Das einzigartige Merkmal dieser Anordnung ist das polarisationsempfindliche Streuelement (PSSE) 17. Dies ist ein flaches, dünnes optisches Element, welches in dieser Anordnung als ein nicht absorbierender Vorpolarisator dient. Das PSSE lässt den Großteil des Lichts, das entlang einer optischen Achse polarisiert wurde, durch und wirft den Großteil des Lichts mit der orthogonalen Polarisation zum Hintergrundlichthohlraum zurück, wo sein Polarisationszustand geändert wird, wodurch ihm eine weitere Gelegenheit gegeben wird, zur Ausgabe der ersten Polarisation beizutragen. PSSE-Strukturen mit diesen Eigenschaften werden im Folgenden beschrieben.
  • Es ist vorteilhaft, zum Verständnis dieser Konfiguration ein einfaches Modell aufzustellen. Es ist leicht zu zeigen, dass in der Annahme einer gleichmäßigen Intensität im Hintergrundlichthohlraum die Ausgangsintensität Iout (z.B. Watt/cm2, Footlamberts, Candelas/m2 in Abhängigkeit von der Wahl der Einheiten und Gewichtungsfunktionen) durch
    Figure 00100001
    gegeben ist, wobei Pin die optische Eingangsleistung (in der geeigneten Form) ist, Tport ist der Transmissionsgrad des Elements oder der Elemente, welche die Öffnung des Hohlraums (üblicherweise das Anzeigefeld) abdecken, Rport ist der Reflexionsgrad des Elements oder der Elemente, welche die Öffnung abdecken, Aport ist die Fläche der Öffnung, und lbox ist die entsprechende schwarze Verlustfläche des restlichen Hohlraums. Die Größe von lbox im Vergleich zu Aport liefert eine nützliche Charakterisierung im Hinblick auf die Verlustbehaftetheit des Hintergrundlichthohlraums. lbar ist die gewichtete Summe alle Flächeninhalte im Hohlraum mal ihres jeweiligen Verlusts (Absorptionsgrad plus Transmissionsgrad, wenn das durchgelassene Licht aus dem Hohlraum austritt) und stellt infolgedessen die Fläche eines entsprechenden schwarzen Flecks dar, wenn alle Hohlraumverluste in einer Region vereint werden würden.
  • Der Diffusor und das PSSE können natürlich mit identischen Ergebnissen entweder als zum Hohlraum gehörig oder als die Öffnung abdeckend betrachtet werden. Um dies zu tun, ist es notwendig, zu erkennen, dass Verluste durch das Verhältnis der lokalen Intensität an diesem Fleck zur Intensität, die auf die Öffnung einfällt, effektiv weiter gewichtet werden, weshalb sie sowohl für die Abschwächung durch den Diffusor als auch für die unvermeidliche Nichtgleichmäßigkeit innerhalb der meisten praktischen Hohlräume verantwortlich sind.
  • Nehmen wir zum Beispiel an, dass der Transmissionsgrad des Anzeigefeldes 3% beträgt und einen Reflexionsgrad von 0% aufweist, und dass der Diffusor als Teil des Hohlraums betrachtet wird, aber ein PSSE zwischen dem Diffusor und dem Feld zu den Öffnungsparametern (Feldparametern) in der Gleichung beiträgt. Das PSSE derart zu nehmen, dass es die Form eines rückstreuenden Polarisators (Durchlassachstransmissionsgrad von Tpass und Totalreflexionsgrad von Rtotel) aufweist, ergibt eine direkte Verbesserung von
    Figure 00110001
  • 2 stellt diese Beziehung für mehrere Vorpolarisatorleistungsniveaus dar. Für ideale Komponenten besteht das Potenzial für eine 100%tige Verbesserung. Wir erzeugten PSSEs (im Folgenden beschrieben) mit Tpass und Rtotal in der Nähe von 90% beziehungsweise 45% und maßen tatsächlich Durchlassachsausgabesteigerungen, die sich für Hohlraumkonstruktionen mit sehr niedrigem Verlust 40% näherten, ohne die Farb- oder Winkelgleichmäßigkeit zu beeinträchtigen. Dies bestätigt die Gültigkeit des Modells und zeigt zum ersten Mal ein durchführbares Verfahren zum Wiedereinfangen eines signifikanten Teils der Polarisation, die in einem Direktsichtanzeigesystem mit weitem Betrachtungswinkel normalerweise verloren geht.
  • Der Schlüssel, um diesen Ansatz durchführbar zu machen, ist die Anwendung eines nicht absorbierenden Polarisationsmechanismus mit geeigneten Eigenschaften. Die idealen Eigenschaften umfassen eine sehr hohe Absorption, einen sehr hohen Durchlassachstransmissionsgrad, einen signifikanten Reflexionsgrad, eine minimale Winkelabhängigkeit, spektrale Breitbandigkeit, vergleichbare Symmetrie der optischen Achse mit einem parallel ausgerichteten Absorptionspolarisator und Freiheit von anderen Artefakten. Außerdem sollte der Vorpolarisator die Möglichkeit aufweisen, dünn, großflächig, leichtgewichtig, robust und billig zu sein. Polarisatoren, die im Stand der Technik zur Verwendung in Polarisationsumwandlungssystemen beschrieben werden, entsprechen dieser ausführlichen Liste nicht.
  • Es wird eine Klasse von polarisierenden Strukturen vorgestellt, welche die zuvor aufgelisteten Anforderungen erfüllt und es ermöglicht, Verbesserungen des Wirkungsgrades und andere Leistungssteigerungsverfahren auf eine wirksame und praktische Weise zu realisieren. Die neuen Polarisatoren und Anwendungen, die hierin beschrieben werden, werden durch polarisationsempfindliche Streuelemente erreicht, welche in der Form von Mikroverbundwerkstoffen aus Materialien mit Unterschieden in der Doppelbrechung hergestellt werden. Land beschrieb 1951 eine Suspension von ausgerichteten doppelbrechenden Kristallen, die in einer Polymermatrix eingebettet war, als diffus für eine Polarisation und klar für die andere. Das US-Patent Nr. 4,685,771 beschreibt eine polymerdispergierte Flüssigkristall- oder PDLC-Struktur (PDLC für engl. polymer dispersed liquid crystal), und andere berichten von verwandten Polymernetz-LC-Strukturen mit ähnlichen polarisationsempfindlichen Streueigenschaften.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass das Vorhandensein von polarisationsempfindlichen Streueigenschaften an sich noch nicht genügt, um Polarisation oder gar Vorpolarisation in der Anzeige bereitzustellen. Die meisten PSSE-Strukturen sind an sich schon vorwärts streuend und weisen einen gewissen Streuungsgrad für beide Polarisationsachsen auf, wenn auch mit Unterschieden in der Größenordnung. Es ist notwendig, eine der Polarisationen in Bezug auf die andere irgendwie physikalisch zu trennen oder auszuschließen. In den vorliegenden Anordnungen erfolgt dies durch Kombinationen von drei verschiedenen Mechanismen. Dabei handelt es sich. um Vielfachststreuung, Totalreflexion TIR [für engl. total internal reflection] und Öffnungseffekte (z.B. räumliche Filterung).
  • 3a–h stellen eine Vielfalt von PSSE-Ausführungsformen dar, welche als Teil der vorliegenden Anordnungen und der vorliegenden Erfindung verwendbar sind. Obwohl einige der PSSE-Strukturen oder -Herstellungsverfahren, die hierin beschrieben werden, bekannt sind, werden andere hierin zum ersten Mal dargelegt. Zusätzliche Verfahren und verwandte Strukturen sind möglich.
  • Das PSSE 20 in 3a ist eine uniaxiale homogen ausgerichtete PDLC-Struktur 20. LC-Tröpfchen 22 werden gebildet und in einer Polymermatrix 21 eingebettet, wobei Verfahren verwendet werden, die auf dem Fachgebiet allgemein bekannt sind. Diese umfassen polymerisationsinduzierte Phasentrennungs- und Emulgierungs/Einkapselungsverfahren und können auch die Form einer Polymernetz/LC-Struktur annehmen, in welcher die „Tröpfchen" voneinander nicht getrennt, sondern vielmehr miteinander verbunden sind. In diesen Strukturen ist das LC infolge des Zustands minimaler freier Energie ausgerichtet, der mit der Ausdehnung der Tröpfchen oder des Netzes in Beziehung steht. Die Ausdehnung wird zum Beispiel durch physikalisches Strecken des Films entlang einer Achse 23 herbeigeführt, nachdem die Tröpfchen gebildet sind und wenn die Polymermatrix in einem thermisch erweichten Zustand ist. Die Brechzahlen des LC werden derart ausgewählt, dass entweder der ordentliche oder die außerordentliche Brechzahl des LC mit der entsprechenden Brechzahl des Polymers übereinstimmt, und derart, dass die andere Brechzahl sehr unterschiedlich ist. Es ist zu erwähnen, dass das Polymer auch doppelbrechend sein kann, insbesondere wenn es gestreckt wird, dass aber die Doppelbrechung der beiden Materialien verschieden sein sollte, um eine Nichtübereinstimmung des Streuungswirkungsgrades für die beiden Polarisationsachsen zu gewährleisten.
  • Dieses gestreckte PDLC ist die Struktur, die zuvor in Bezug auf die Darlegung eines wirksamen Verfahrens zum Wiedereinfangen der Polarisation für Weitwinkeldirektsichtanzeigen erörtert wurde. Ein geeignetes hoch doppelbrechendes LC wurde in einer PVA/Wasser-Lösung emulgiert. Ein Film wurde durch Auftragen und Trocknen der emulgierten Lösung auf einem Substrat erzeugt. Der resultierende Film wurde unter Wärmezufuhr gestreckt und anschließend zwischen Trägersubstrate laminiert, um die Ausrichtungsgeometrie aufrechtzuerhalten.
  • Das Verwenden von typischen PDCL-Filmauftragsdicken führt zu einer verhältnismäßig hohen Rückstreuung, insbesondere nach dem hohen Streckungsverhältnis, das verwendet wird, um die Ausrichtung des LCs zu maximieren. Um die optischen Parameter zu jenen eines wirksamen Polarisationselements für die Konfiguration in 1 zu führen, wurde eine Vielfach ststreuungskonstruktion realisiert. Die Nichtübereinstimmung der außerordentlichen Brechzahlen wurde maximiert, und die Nichtübereinstimmung der ordentlichen Brechzahlen wurde minimiert, während noch immer ein annehmbarer und verwendbarer Temperaturbereich aufrechterhalten wurde. Die Dicke des gestreckten Films wurde vergrößert, bis Reststreuung durch die verhältnismäßig gut angepassten ordentlichen Achsen begann, die (niedrig streuende) Durchlassachstransmission in Gegenwart des diffusen Hintergrundlichthohlraums zu verringern. Um diesen Verlust im Durchlassachstransmissionsgrad weiter zu minimieren, wurde ein hohes Streckungsverhältnis verwendet, um die Ausrichtung des LCs zu maximieren. Die Rückstreuung wurde weiter verbessert, indem nach dem PSSE-Substrat ein Luftspalt aufrechterhalten wurde, der ausreichte, um die TIR von vielen der vorwärts gestreuten außerordentlichen Strahlen zu unterstützen. Nach der inneren Reflexion werden diese Strahlen durch die PSSE-Schicht mit einer signifikanten Wahrscheinlichkeit, dass sie nach einer einzigen TIR aus der Baueinheit und zurück zur Quelle gestreut werden, erneut gestreut.
  • Fotopische Messungen mit einer diffusen Kugelfotometerlichtquelle zeigten, dass frühere Prototypen ungefähr 90% und 30% der Durchlassachs- beziehungsweise Sperrachspolarisationskomponenten durchlassen (auf der Achse gemessen). Ein typischer gemessener Totalreflexionsgrad von denselben Elementen betrug ungefähr 45%. Wie bereits erwähnt, war dies hinreichend, um Verbesserungen zu erzielen, welche sich bei Hohlräumen mit sehr niedrigen Verlusten 40% näherten. Versuche, welche diese frühen Prototypen mit weniger optimierten Hohlraumkonstruktionen verwenden, führten zu etwas niedrigeren, aber immer noch signifikanten Steigerungen.
  • Diese Daten zeigten auch, dass zusätzlich zur Verbesserung des Wirkungsgrades das auf diese Weise dargelegte rückstreuende PSSE die optische Energie, die durch den hinteren Absorptionspolarisator absorbiert wird, ungefähr um einen Faktor von 3 verringert, wodurch die optische Erwärmung der Anzeige und alle verbundenen Auswirkungen auf die Bildqualität oder die Zuverlässigkeit stark reduziert werden.
  • Freiheit von Farbverschiebungen wird bereitgestellt, da die Mikrostruktur nicht kohärent periodisch ist. Die Farbverschiebung, die aus der Einfügung des Elements in das Anzeigesystem resultiert, war gering, obwohl der Transmissionsgrad in den Tiefblauwellenlängen etwas niedriger war. Aber von größerer Bedeutung ist, dass praktisch keine Farbverschiebung und nur eine minimale Änderung des Durchlassachstransmissionsgrades über den ganzen Betrachtungswinkelbereich von ± 60° und darüber hinaus beobachtet wurden, wenn die Polarisationseffekte von Oberflächenreflexionen mit geeigneten Antireflexionsbeschichtungen beseitigt wurden. Dies bestätigt klar den Nutzen von PSSEs für die Verbesserung des Wirkungsgrades in den schwierigen Anwendungen mit weitem Betrachtungswinkel im Gegensatz zu Polarisationsumwandlungssystemen des Standes der Technik, die auf eine hoch gerichtete Beleuchtung beschränkt sind.
  • Diese Kompatibilität mit dem weiten Betrachtungswinkel wird in dem beschriebenen Fall erwartet, da die Wellenlängenabhängigkeit der Streuung leicht variiert und die Symmetrie der optischen Achse mit der des entsprechenden Polarisators auf der Hinterseite des LCD-Feldes identisch ist, vorausgesetzt, dass die Brechzahl der Polymermatrix mit der ordentlichen Brechzahl des LC in den ausgerichteten Tröpfchen übereinstimmt.
  • Die zweite PSSE-Struktur 30 in 3b ist ebenfalls eine PDLC-Struktur. In diesem Fall wird die LC-Aus richtung in den Tröpfchen 32 durch angelegte seitliche elektrische Felder statt durch ein physikalisches Mittel, wie beispielsweise Strecken, herbeigeführt. Da die Feldrichtung in LCDs orthogonal zu herkömmlichen angelegten Feldern ist, ist eine spezielle Ansteuerungskonfiguration erforderlich. Eine Möglichkeit, solch eine mittlere Feldverteilung durch die Matrix 31 und die Tröpfchen 32 zu erreichen, ist, eine erste Spannung an Elektroden 33 und eine zweite Spannung an Elektroden 35 anzulegen, wodurch die geeignete Feldausrichtung im Volumen zwischen dem Elektrodenpaar 34 induziert wird. Dieses angelegte Spannungsmuster wird mit einem ähnlichen Muster, welches die Elektroden 34 und 36 verwendet, abgewechselt, um die Region zwischen dem Elektrodenpaar 35 auszurichten. Das Muster wird zum Beispiel unter Verwendung von Sätzen von ineinander greifenden Elektroden auf jedem Substrat über die gesamte Polarisatorfläche wiederholt. Obwohl der zusätzliche Platzbedarf, der mit der Ansteuerungselektronik verbunden ist, möglicherweise unerwünscht ist, ist bei Verwenden dieses Verfahrens ein wirksames Element möglich.
  • Die PSSE-Struktur 40 stellt einen verwandten Ansatz ohne Ansteuerungsbedarf dar. In diesem Beispiel werden wieder nematische LC-Tröpfchen 42 innerhalb einer Polymermatrix 41 gebildet. Ein Ausrichtungsfeld wird angelegt, aber dieses Mal durch einen Felderzeugungsmechanismus außerhalb der Baueinheit. Feldpole 43 bis 46 stellen Elektroden dar, die paarweise angesteuert werden, um ein Ausrichtungsfeld von angemessener Größenordnung innerhalb der PDLC-Schicht zu erzeugen. Die Region kann nötigenfalls in ein geeignetes dielektrisches Fluid getaucht werden, um zu ermöglichen, dass eine ausreichende Feldstärke angelegt wird. In der Region mit einem gleichmäßigen seitlichen Feld wird die induzierte Ausrichtung durch einen von mehreren Mechanismen verriegelt. Diese können die Anwendung von lokalisiertem UV-Licht 47 umfassen, das durch eine Öffnung 48 maskiert wird, vorausgesetzt, das verwendete LC ist UV-härtbar. Solche polymerisierbare LC-Materialien existieren im Stand de Technik. Alternativerweise wurde von LC-Polymernetzen berichtet, in welchen die UV-Belichtung eine UV-härtbare Monomerdotierungssubstanz polymerisiert, um ein dünnes Netz zu bilden, das eine Ausrichtung wirksam aufrechterhalten kann, sobald das Feld entfernt wird. Als noch eine andere Option gibt es polymere LCs, welche feldausgerichtet werden können, wenn sie über den Glasübergang erwärmt werden, die induzierte Ausrichtung aber beibehalten, wenn sie bei angelegtem Feld abgekühlt werden. In diesem Fall würde statt der UV-Belichtung ein Wärmeimpuls angelegt werden. Eine weitere Variante dieses Verfahrens ist die Verwendung von smektischen LC-Mischungen, welche zum Verriegeln von ausgerichteten Orientierungsgeometrien bei Abkühlen von den nematischen auf die smektischen Phase(n), die eine niedrigere Temperatur aufweisen und mehr geordnet sind, imstande sind.
  • Die Ausrichtung in 40 könnte alternativerweise magnetisch induziert werden, vorausgesetzt, es ist eine angemessene Feldstärke verfügbar. Für angemessene Tröpfchengrößen und diamagnetische Anisotropie könnten die Elektroden 43 bis 46 durch starke Magneten ersetzt werden, die derart ausgerichtet werden, dass alle Magneten ihre jeweiligen Nordpole so aufweisen, dass sie identisch nach rechts oder links gerichtet sind. Elektromagneten könnten leicht verwendet werden. In all diesen Verfahren würde die relative Position des Ausrichtungsmechanismus entlang der Achse 49 verschoben werden, um zu ermöglichen, dass die gesamte Elementfläche ausgerichtet wird.
  • Die Struktur 50 in 3d veranschaulicht eine andere allgemeine Möglichkeit, wie PSSEs aufgebaut sein können. In diesem Fall werden doppelbrechende (z.B. gezogene oder gestreckte) Polymerfasern 52 mit kleinem Durchmesser auf einer Form gewickelt oder anderweitig miteinander ausgerichtet und in eine Polymermatrix 51 eingebettet. Das Streuungsprofil hängt vom Faserdurchmesser und der Anzahl von Fasern, sowie von anderen Parametern ab, aber die Symmetrie ist ähnlich der von Element 20. Ein signifikanter Unterschied ist die erweiterte Länge der Fasern, welche die Symmetrie der Streuung ändert. Varianten dieses Ansatzes würden Fasern mit geringer oder gar keiner Doppelbrechung (z.B. Glas oder viele Polymere) in einer doppelbrechenden Matrix (z.B. polymeres Flüssigkristall oder ein ähnliches ausgerichtetes Material) aufweisen. Dieser Ansatz kann erweitert werden, um drei Arten von Bereichen einzubeziehen, wobei die gestreckten Fasern selbst Dotierungssubstanzteilchen oder -tröpfchen (z.B. Glas oder LC) mit einer Brechzahl für eine Polarisation, aber nicht für die andere enthalten.
  • Die analoge Struktur 60, die in 3e dargestellt ist, ist in der Form ähnlich wie jene, die von Land beschrieben wird, wobei doppelbrechende Kristalle (oder ähnliche Teilchen) 62 entlang einer Achse 63 ausgerichtet sind und in eine nicht doppelbrechende Matrix 61 eingebettet sind. Das Element 60 könnte auch die Form eines homogen ausgerichteten Polymers annehmen, wie beispielsweise eines UV-härtbares LCs, eines polymeren LCs oder eines gestreckten Polymerfilms, in welche nicht doppelbrechende Teilchen, wie beispielsweise Glas, eingebettet wurden.
  • Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung solch eines Elements ist, einen Film mit Bereichen von zwei Polymerarten herzustellen. Diese Polymerbereiche teilen sich eine gemeinsame ordentliche Brechzahl und Dispersion, weisen aber eine unterschiedliche oder entgegengesetzte, vorzugsweise hohe, Doppelbrechung auf. Die Doppelbrechung wird während der Filmherstellung oder -verarbeitung induziert, wie beispielsweise durch Extrudieren, Ziehen oder Strecken, wobei der resultierende Film geeignete Eigenschaften für die vorliegenden Anzeigeverbesserungen aufweist.
  • Das Element 70 in 3f stellt noch eine andere Konfiguration dar. In diesem Beispiel werden die Bereiche in der Mikrostruktur aus einem einzigen Material, wie beispielsweise UV-härtbarem LC, erzeugt. Abwechselnde Bereiche 72 und 71 sind durch lokales Polymerisieren der getrennten Regionen ausgebildet, wobei ein transversales Ausrichtungsfeld angelegt wird beziehungsweise nicht angelegt wird. Die UV-Belichtung kann unter Verwendung eines Abtastlasers oder durch Belichtung durch eine Maske 73 erfolgen, und die Ausrichtung bei Fehlen des Feldes kann mit Standardausrichtungsüberschichtungsverfahren stabilisiert werden.
  • Ein Sonderfall der PSSE-Struktur ist das Element 80, das in 3g dargestellt ist. Hier sind vergleichbare Materialien und eine vergleichbare Physik beteiligt, aber die Bereiche nehmen die Form von abwechselnden Schichten an, wobei nur eine Brechzahl übereinstimmt. Zum Beispiel bestehen die Schichten 81 in dem dargestellten Beispiel aus dünnen Folien aus gestrecktem oder anderweitig doppelbrechendem Polymer. Diese sind durch Klebeschichten 82 aneinander gebunden, wobei die Brechzahl des Klebstoffs nur mit eine Brechzahl für die Folien 81 übereinstimmt. Obwohl das Ergebnis eine Spiegelreflexion ist, wird dies für die Zwecke dieser Erfindung infolge der strukturellen Ähnlichkeit mit den anderen Verfahren als ein PSSE betrachtet, aber mit dem Wissen, dass die „Streuung" klar definiert ist. Die Anzahl von Schichten, die für eine wirksame Polarisation erforderlich ist, kann in Abhängigkeit von der Doppelbrechung, der relativen Kohärenzlänge des Lichts und vom Einfallswinkel ziemlich groß sein.
  • Das Element 90, das in 3g dargestellt ist, stellt einen anderen Ansatz für ein nicht zufälliges polarisationsempfindliches „streuendes Teilchen" dar. Hierbei ist eine Reihe von Linsen oder Mikrolinsen 91 (dargestellt als eine zylindrische Linse, aber wahlweise in beiden Achsen lentikular) oder anderen lentikularen Mikrostrukturen aus einem doppelbrechenden Material gebildet und vorzugsweise zwischen nicht doppelbrechenden Substraten 92 und 93 brechzahlangepasst. In der dargestellten Ausführungsform ist 91 aus einem Polymer mit hoher Doppelbrechung mit der optischen Achse des Polymers entlang der Linsenachse aufgebaut. Der Nettoeffekt ist für jede Linse 91, eine Brennpunktlage aufzuweisen, die mit der Polarisationsachse variiert. Zusätzlich zur veränderlichen Fokussierung der beiden Polarisationen können Reflexionen, wie beispielsweise innere Totalreflexionen, an den Grenzflächen auftreten. Ein Beispiel für solch eine Struktur ist ein ausgerichtetes LC-Material zwischen einem flachen Substrat und einem strukturierten Substrat. Eine andere Herstellungsoption ist das Binden eines gestreckten geprägten Films a einen zweiten Film, wobei die lentikulare Fläche in einem Stück mit einem der Substrate ist. Dieses Beispiel ist besonders gut geeignet für leicht streuende (diffuse) Konfigurationen, wobei ein bekanntes Diffusionsprofil gewünscht wird.
  • Es sind zahlreiche Varianten der Anordnung von 1 möglich. Wenn die Lichtquelle einen geringen Absorptionsverlust zum Hohlraum beisteuert, wie es bei Miniaturglühlampen, Laserdioden oder LEDs der Fall wäre, kann der volle Nutzen aus dem rückstreuenden PSSE 17 gezogen werden. Der Diffusor, wenn verwendet, kann zwischen dem PSSE und dem Anzeigefeld angeordnet werden, vorausgesetzt er ist nicht entpolarisierend. Viele Richtungsbündelungsmechanismen können verwendet werden, wie beispielsweise der prismatische Hellig keitsverstärkungsfilm, der von der 3M hergestellt wird. Es können oft abwechselnde Diffusoren verwendet werden, da das Licht, das durch den Vorpolarisator rückgestreut wird, eine Neigung aufweist, die Gleichmäßigkeit der Anzeige zu verbessern. Den Polarisator von dieser Last wenigstens teilweise zu befreien, kann es ermöglichen, einen Diffusor mit einer höheren Transmission zu verwenden. Das Ergebnis ist, dass es durch Einstellen des Systems für maximalen Nutzen oft möglich ist, die direkte Leistung, welche durch das einfache Modell in 3 vorhergesagt wird, wesentlich zu überschreiten. Das PSSE kann auch direkt auf eine Fluoreszenzlampe oder über eine der gegenwärtig erhältlichen flachen Fluoreszenzlampen, welche den bestmöglichen Nutzen erbringt, wenn die Lampenfläche sehr weiß in der Erscheinung ist, angewendet werden.
  • 4 stellt eine zweite Anordnung dar, welche aus einer kompakten Hintergrundlichtkonfiguration besteht, so wie sie in einem Monitor eines tragbaren Computers verwendet werden könnte. Das Anzeigefeld 101, welches einen vorderen und einen hinteren Polarisator aufweist, wird durch Hintergrundlicht 100 beleuchtet, wobei das rückstreuende PSSE 109 zwischen dem Anzeigefeld und dem effektiven Lichthohlraum dieser Ausführungsform angeordnet ist. Die Fluoreszenzlampen 103 führen Licht in die Enden eines Lichtleiters 102 ein. Das Licht wird durch eine innere Totalreflexion (TIR) innerhalb von 102 gehalten, außer dort, wo die TIR durch Diffusionsregionen 104 verhindert wird. Diese Diffusionsregionen können zahlreiche Formen annehmen, welche alle das Licht wirksam streuen oder beugen, derart dass ein Teil davon die Winkelanforderungen für eine TIR überschreitet. Dieses gestreute Licht, von dem ein Teil durch den Spiegel 105 umgeleitet wird, verlässt den Lichtleiter 102 durch die Fläche 106 und tritt vor Erreichen des PSSEs 109 durch einen Diffusor 107 und ein Viertelwellenlängenplättchen 108 hindurch. Das Plättchen 108 ist vorzugsweise ein achromatisches Viertelwellenlängenplättchen, wie auf dem Fachgebiet bekannt, und es ist derart orientiert, dass Licht, das vom PSSE-Vorpolarisator rückgestreut oder reflektiert wird, in zirkulare Polarisation umgewandelt wird. In dieser Anordnung sind die Elemente 102, 104, 105 und 107 alle so ausgewählt, dass sie nicht entpolarisierend sind. Infolgedessen wird Licht, das durch das PSSE rückgestreut wird, durch 108 in zirkulare Polarisation umgewandelt, tritt durch 107, 106, 102 und möglicherweise die Regionen 104 hindurch, bevor es den Spiegel 105 erreicht. Bei Reflexion durch 105 wird die zirkulare Händigkeit der Polarisation invertiert und anschließend durch den nächsten Durchgang durch das Plättchen 108 umgewandelt, um der Durchlassachse des PSSE zu entsprechen. Auf diese Weise wird das rückgestreute Licht noch wirksamer verwendet als in der ersten Anordnung, was zu noch höheren Steigerungen führt als jenen, die durch das einfache Modell, das eine völlig entpolarisierten Hohlraum annahm, vorhergesagt wurden. Zusätzliche Elemente, welche nicht dargestellt sind, können vor oder hinter dem PSSE 109 ebenfalls aufgenommen werden, wie beispielsweise ein Richtungsbündelung induzierendes Element (z.B. eine Linsen- oder Prismenreihe). Wenn das Plättchen 108 weggelassen wird, sollten andere Entpolarisations- oder Polarisationsdrehungsmittel bereitgestellt werden.
  • Die dritte Anordnung, die in 5 dargestellt ist, verwendet die einzigartigen Eigenschaften des PSSEs in einer verwandten, aber unterschiedlichen Art und Weise. Hierbei ist die innere Totalreflexion der Hauptmechanismus, der verwendet wird, um selbst ein mäßig (z.B. vorwärts) streuendes PSSE in einen wirksamen nicht absorbierenden Polarisator umzuwandeln, wobei sich die potenzielle Verbesserung einem Faktor von zwei nähert, eine Verbesserung selbst ohne stark rückstreuendes PSSE. Das Anzeigefeld 111, welches einen vorderen und einen hinteren Polarisator aufweist, wird durch Hintergrundlicht 110 beleuchtet. Die Fluoreszenzlampe 113 führt Licht in die Enden eines Lichtleiters 112 ein. Das Licht wird durch innere Totalreflexion (TIR) innerhalb von 112 gehalten, außer dort, wo die TIR durch Diffusionsregionen 114 verhindert wird. In dieser Ausführungsform nehmen diese Diffusionsregionen die Form eines PSSEs an, das für eine Polarisation, aber nicht für die orthogonale Polarisation brechzahlangepasst ist. Das Ergebnis ist, dass die TIR nur für eine ausgewählte Polarisation, aber nicht für die andere verhindert wird. Dieses im Wesentlichen linear polarisierte rückgestreute Licht, von dem ein Teil durch den Spiegel 115 umgeleitet wird, verlässt den Lichtleiter 112 durch die Fläche 116 und tritt durch einen Polarisation bewahrenden Diffusor 117 hindurch zum Anzeigefeld 111. Die Achse der selektiv gestreuten Polarisation ist so ausgewählt, dass sie der Durchlassachse des hinteren Polarisators des Anzeigefeldes 111 entspricht. Es ist zu beachten, dass dies das Gegenteil der Situation in den vorherigen Anordnungen ist. Aus diesem Grund kann eher ein Nutzen bei der Brechzahlübereinstimmung der außerordentlichen Brechzahl im PSSE 114 als der ordentlichen Brechzahl, wie in dem zuvor dargelegten ersten PSSE-Beispiel beschrieben, vorliegen. Die ungestreute Polarisation bleibt im Lichtleiter gefangen, bis die Polarisation gedreht wird, wie beispielsweise durch ein Viertelewellenlängenplättchen 118 und den Spiegel 119 am äußeren Ende des Lichtleiters. Alternativerweise könnten andere die Polarisation beeinflussende Mittel irgendwo im Lichtleiter bereitgestellt werden. Natürlich können mehre Lampen verwendet werden, ein hoch rückstreuendes PSSE kann ebenfalls verwendet werden, und das PSSE braucht nicht an der hinteren Fläche zu sein. Relevante PSSE-Konfigurationen weisen die Ansätze mit den doppelbrechenden Fasern und den Linsen auf, die als Elemente 50 und 90 in 3 dargestellt wurden und zwischen transparente Substrate gebunden werden, um den Lichtleiter 112 zu bilden.
  • Eine vierte Anordnung, die in 6a und b dargestellt ist, kombiniert etliche Versuche des Standes der Technik hinsichtlich des hohen Wirkungsgrades von flachen Anzeigefeldern zusammen mit dem vorliegenden Verfahren, um zum ersten Mal eine integrierte Lösung für das Problem des LCD-Wirkungsgrades zu ermöglichen. Bei typischen Farb-AMLCD-Transmissionsgraden in der Größenordnung von 3% ist aus dem einfachen Modell, das zuvor dargelegt wurde, leicht zu erkennen, dass eine Verbesserung der Größenordnung erreicht werden könnte, wenn die entsprechende schwarze Fläche für den Hohlraum und das Feld zusammen ungefähr um einen Faktor von 10 reduziert werden würde. Bei Fehlen der vorliegenden Anordnungen war dies nicht möglich, da keine wirksames Verfahren zum Wiedereinfangen des Polarisationsverlusts in einer diffus hintergrundbeleuchteten Anzeige dieser Art bekannt war. Demnach wäre das Beste, was hätte erreicht werden können, eine Verlustfläche, die mehr als der Hälfte der Anzeigefeldgröße entspricht. Somit war der Wirkungsgrad aller Verfahren des Standes der Technik zur Verbesserung des Wirkungsgrades bis jetzt empfindlich eingeschränkt. Die vierte Anordnung dient als ein Ermöglichungsverfahren, durch welches der volle Nutzen aus dem ganzen Satz von Verfahren gezogen werden kann. Diese Verfahren des Standes der Technik können in Verbindung mit der vierten Anordnung einzeln oder zusammen, wie beispielsweise in der Konfiguration von 6 dargestellt, verwendet werden.
  • In der Anordnung von 6a ist ein Beleuchtungskasten 140 aus einer gekrümmten Innenwand 143 und zwei Endwänden (nicht dargestellt) aufgebaut. Diese sind aus Materialien hergestellt, welche einen sehr hohen diffusen Reflexionsgrad aufweisen, wie beispielsweise Spectralon (von Lasphere erhältlich). Eine schwache Absorptionslichtquelle 144 zum Beispiel eine Fluoreszenzlampe oder ein Satz von Glühbirnen, ist derart hinter dem Beleuchtungskasten 145 positioniert, dass die Innenflächen verhältnismäßig gleichmäßig beleuchtet werden, 144 aber nicht direkt sichtbar ist, wenn durch die Öffnung des Hohlraums betrachtet. Ein rückstreuendes vorpolarisierendes Element 141 ist zum Beispiel ein PSSE mit einer verbesserten Rückstreuung, wie zuvor beschrieben, das dazu dient, die ungewünschte Polarisation wirksam zum Hintergrundlichthohlraum zurückzuwerfen, während es die gewünschte Polarisation zum polarisierten Anzeigefeld 120 durchlässt. Die vergrößerte Ansicht zeigt, wie der Totalreflexionsgrad des Vorpolarisators und des Anzeigefeldes noch weiter erhöht wird. Wie im Querschnitt von 6b dargestellt, ist 120 eine Farb-AMLCD, wobei das Flüssigkristallmaterial 123 zwischen parallelen transparenten Substraten 121 und 122 angeordnet ist. Farbe wird durch Filtern von benachbarten Regionen des Anzeigefeldes mit Rot, Grün und Blau absorbierenden Filtern 125, 127 beziehungsweise 129, wie dargestellt, bereitgestellt. Um die Absorption von Licht durch diese Filter zu verringern, sind reflektierende Farbvorfilter 124, 126 und 128 zwischen den absorbierenden Farbfiltermitteln und dem Hintergrundlicht angeordnet. Obwohl die Filter in dieser Anordnung so dargestellt sind, dass sie auf gegenüberliegenden Substraten sind, könnten sie natürlich zusammen auf einem Substrat konfiguriert sein. Jedes reflektierende Farbfilter, das zum Beispiel in der Form eines dielektrischen Mehrschichtfilters aufgebaut ist, wie auf dem Fachgebiet allgemein bekannt, lässt die gewünschten Spektralkomponenten für diese Fläche über den erforderlichen Betrachtungswinkel durch, während es so viel des unbenutzten Spektralbereichs als möglich zurückwirft. Zum Beispiel lässt das reflektierende Filter 124, das dem Rot absorbierenden Filter 125 entspricht, Rot durch, während es Grün und Blau reflektiert. Ähnlich lässt 126 Grün durch, während es Rot und Blau reflektiert, und 128 lässt Blau durch, während es Grün und Rot reflektiert. Das Durchlassband jedes Filters kann auf der langen Wellenlängenseite erweitert werden, um nötigenfalls an weite Betrachtungswinkel angepasst zu werden. Außerdem wird die Region zwischen den Aktivmatrixpixeln auf der Rückseite, ebenso wie die schwarze Matrix 131 auf der Vorderseite durch einen Rückreflektor 130 abgedeckt. Die Anzeige wird durch Hinzufügen eines wirksamen vorderen und hinteren Polarisators 132 und 133, sowie der Aktivmatrixadressierungsstruktur, welche nicht dargestellt ist, vervollständigt. Die Konfiguration maximiert die Menge von Licht, das zum Hohlraum zurückgeworfen wird. Der Wirkungsgrad dieser Verfahren des Standes der Technik, wie beispielsweise der reflektierenden Farbfilter, wird dadurch wesentlich verbessert. Zum Beispiel konnte im Stand der Technik der maximale Reflexionsgrad eines idealen Punktes roter Farbe so hoch wie 33% sein, was das Zurückwerfen von 2/3 des Lichts (grünes und blaues, aber nicht rotes), sowie die 50%tige Abschwächung durch den Absorptionspolarisator darstellt. Die Hinzufügung des Vorpolarisators ermöglicht es, dass dieser ideale Reflexionsgrad 83% (dieselben 33% plus die 50%, welche durch den Vorpolarisator zurückgeworfen werden) mit einem dementsprechend signifikanten Potenzial für eine Verbesserung des Wirkungsgrades beträgt.
  • Obwohl die absorbierenden Elemente 125, 127, 129, 131 und 132 in dieser Anordnung für die Leistungsfähigkeit einbezogen sind, können diese natürlich entfernt werden, wenn sie infolge von beschränkten Betrachtungswinkeln oder einer schwachen Vordergrundbeleuchtung, wie beispielsweise bei Kopf- und Projektionsanwendungen, nicht gebraucht werden. Außerdem könnte ein Diffusor hinzugefügt werden, wenn nötig, um Gleichmäßigkeit zu gewährleisten, und Richtungsbündelungs steuermittel können ebenso hinzugefügt werden, was den Totalreflexionsgrad der Öffnung noch weiter erhöht.
  • Die Polarisationssteuerung der diffus hintergrundbeleuchteten Anordnungen verbessert an sich schon die Gleichmäßigkeit dieser Systeme. Diese Verbesserung der Gleichmäßigkeit kann gegen noch weitere Steigerungen des Wirkungsgrades durch Erhöhen des diffusen Transmissionsgrades des herkömmlichen Diffusorlements sogar bis zu dem Punkt, keinen Diffusor zu haben, wie beispielsweise in 6, eingetauscht werden. Eine noch größere Verbesserung der Gleichmäßigkeit kann durch Verwenden einer zusätzlichen Polarisationssteuerung im Hintergrundlichthohlraum bereitgestellt werden.
  • 7 stellt eine fünfte Anordnung dar, wobei eine noch größere Verbesserung der Gleichmäßigkeit durch die Verwendung von zusätzlichen Polarisationssteuerungsmechanismen bereitgestellt wird. Ein Beleuchtungskasten 150 enthält Lampen 151, weist seine Öffnung durch einen PSSE-Vorpolarisator 152 und einen (vorzugsweise nicht entpolarisierenden) Diffusor 153 verdeckt auf und versorgt das Anzeigefeld 160, das einen vorderen und einen hinteren Polarisator aufweist, mit Hintergrundbeleuchtung. Diese Konfiguration unterstützt Anwendungen mit hoher Helligkeit und ermöglicht zum Beispiel eine wirksame Verwendung von verhältnismäßig großen Fluoreszenzlampen. Die Optimierung des Wirkungsgrades dieses Systems setzt lediglich voraus, über genügend Diffusion in 153 zu verfügen, um die notwendige Gleichmäßigkeit zu erbringen. Eine Zusatzlampe 157 wird verwendet, um Licht unter wechselnden Beleuchtungsbedingungen bereitzustellen, zum Beispiel nachts, wenn eine sehr niedrige Leuchtdichte benötigt wird, oder wenn spektrale Einschränkungen Anwendung finden. In diesem Fall wird die Beleuchtung von der Lampe 157 vorpolarisiert, bevor sie in den Haupthohlraum eintritt. In der dargestellten Anordnung erfolgt dies durch Anordnen von 157 in einem getrennten Hohlraum 154 und teilweises Polarisieren derselben mit einem rückstreuenden PSSE 155. Diese Polarisation könnte alternativerweise durch andere Mittel erreicht werden, wie beispielsweise durch Verwenden einer an sich schon polarisierten Quelle oder Verwenden eines Absorptionspolarisators anstelle von 155. Die Achse von 155 ist derart orientiert, dass sie sich mit der Achse des Vorpolarisators 152 schneidet. Der Nettoeffekt ist die Bereitstellung einer sehr hohen Diffusion (Verdunkelung) für Direktsicht der Zusatzlampe 157, aber eine niedrige Diffusion für die Polarisation der Durchlassachse der Anzeige in allen anderen Fällen, einschließlich indirekten (und daher gleichmäßigeren) Lichts von der Zusatzlampe 157. Das Polarisationsniveau, das von 155 bereitgestellt wird, kann ausgewählt werden, um eine maximale Gleichmäßigkeit bereitzustellen, derart dass die Fläche der Zusatzlampe weder zu hell noch zu dunkel ist. Auf diese Weise wurde von uns ein Hohlraum konstruiert, der für einen Wirkungsgrad im Modus hoher Helligkeit optimiert ist und gleichzeitig für Gleichmäßigkeit im Modus wechselnder Beleuchtung optimiert ist, und auf eine Weise, in welcher die Zusatzlampe den Wirkungsgrad des Modus hoher Helligkeit nicht wesentlich beeinträchtigt.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 8 dargestellt. Hierbei wird ein stark rückstreuendes polarisationsempfindliches Streuelement als ein Vorpolarisator in einem Hochleistungsprojektionssystem, wie beispielsweise einem Diaprojektionssystem oder einem anderen Projektor mit Einzelanzeigefeld, verwendet. Ein Polarisationslichtventil 170 mit einem vorderen und einem hinteren Absorptionspolarisator wird durch eine Lichtquelle 173 mit hoher Intensität beleuchtet. Das Licht, das durch das Lichtventil moduliert und durchgelassen wird, wird durch die Optik 174 auf einen Bildschirm (nicht dargestellt) projiziert. Ein Polarisator 175 ist zwischen der Lichtquelle und dem Anzeigefeld positioniert und dient dazu, die Menge von Licht, das durch den hinteren Polarisator des Anzeigefeldes absorbiert wird, zu verringern. Der Vorpolarisator ist ein PSSE, das für eine signifikante Rückstreuung optimiert ist, wie zuvor beschrieben, obwohl eine geringere Rückstreuung erforderlich ist, wenn die Distanz zwischen 175 und 170 größer gemacht wird. Obwohl diese Ausführungsform keinen signifikanten Wiedereinfang der ausgeschlossenen Polarisation bereitstellt, ermöglicht sie eine indirekte Verbesserung der Leuchtdichte, insofern stärkere Lichtquellen und potenziell wirksamere Polarisatoren verwendet werden können. Allerwenigstens verbessert die Reduktion der Erwärmung der Anzeige die Zuverlässigkeit. Dieser Ansatz weist klare Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf, insofern er flach, artefaktfrei, sowie verhältnismäßig achromatisch ist und praktisch keine Absorption aufweist, leicht in den optischen Weg einzuführen ist, eine sehr hohe Transmission aufweisen kann und außerdem die ungewünschte Polarisation weitgehend zerstreut, wodurch thermische Probleme in nahe liegenden Komponenten minimiert werden.
  • Eine sechste Anordnung, die in 9 dargestellt ist, verwendet die offenbarten Polarisationssteuerungsverfahren für einen noch größeren Nutzen in einem polarisierten Projektionsdisplay. Hierbei wird das Anzeigefeld 180 durch eine Lampe 183, einen Reflektor 184 und eine Linse 185 beleuchtet. Die Erwärmung des Lichtventils wird durch Ersetzen eines oder in dieser Ausführungsform beider der Anzeigepolarisatoren 181 und 182 durch PSSEs reduziert. Eine Projektionsoptik 186 wird verwendet, um das Anzeigefeld auf den Bildschirm 188 abzubilden. Die Projektionsoptik 186 weist eine wirksame Öffnung 187 auf, welche den Großteil von Licht, das durch einen oder beide der PSSEs 181 und 182 rückgestreut wird, ausschließt. Auf diese Weise ist das einzige Licht, das durch das Anzeigefeld absorbiert wird, dasjenige, das durch die Matrixstruktur des Lichtventils selbst absorbiert wird.
  • Sowohl die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als auch die sechste Anordnung sind leicht auf Mehrfeldprojektoren anzupassen, wie beispielsweise solche, welche oft verwendet werden, um Vollfarbfunktionen bereitzustellen. Die Effektivität der Streupolarisatoren des Projektionsdisplays, die hier gelehrt werden, hängt von der Trennung zwischen ihnen und den anderen Elementen, wie beispielsweise der Projektionslinsenöffnung, ab.
  • 9 veranschaulicht auch noch ein weiteres Merkmal der sechsten Anordnung. Um den Wirkungsgrad zu maximieren und gleichzeitig einen hohen Kontrast, eine hohe Auflösung und einen sehr weiten Betrachtungswinkel in dem dargestellten Frontprojektionsbildschirm aufrechtzuerhalten, wird ein rückstreuendes PSSE als der Bildschirm 188 verwendet. Dies ermöglicht einen ziemlich hohen diffusen Reflexionsgrad, vorausgesetzt, die projizierte Polarisation entspricht der Streuachse des Bildschirms. Dennoch wird die Reflexion für Umgebungslicht drastisch reduziert, indem einer Polarisation erlaubt wird, durch das PSSE möglicherweise zu einem schwarzen Hintergrund (nicht dargestellt) durchzutreten. Der horizontale Betrachtungswinkel ist an sich schon sehr weit, und die Auflösung wird dadurch, dass die Schicht verhältnismäßig dünn gehalten wird, hoch gehalten. Die Menge von Streuung in der vertikalen Achse kann durch die Oberflächentextur oder durch Steuern des Längenmaßstabs der Tröpfchen oder einer anderen Brechzahländerung in der vertikalen Achse gesteuert werden. Ähnliche Strukturen können für Rückprojektionsbildschirme verwendet werden, wobei sie viele der Schwierigkeiten in Verbindung mit den lentikularen Ansätzen bei hoher Projektionsauflösung überwinden, und in diesem Fall wäre keine starke Rückstreuung erforderlich.
  • Eine siebte Anordnung ist in 10 dargestellt. Diese Anordnung geht noch einen Schritt weiter als die vorhergehenden Projektionsdisplayanordnungen, insofern sie Licht neben der Reduktion der Leistung, die durch den Absorptionspolarisator des Displays absorbiert wird, eine Polarisationsumwandlung (Wiedereinfang) für gerichtetes bereitstellt. Die Lichtquelle 190 ist eine Quelle von kollimierten oder teilweise kollimierten Strahlen 191, welche einen konischen Winkel oder Winkeldivergenz 192 aufweisen. Diese Strahlen treffen auf den Polarisationswandler 193 auf, welcher unpolarisiertes Licht mit geringem Verlust in vorwiegend polarisiertes Licht umwandelt. Wie von Polarisationsumwandlungssystemen des Standes der Technik für Projektionsdisplays allgemein bekannt ist, bezieht eine wirksame Polarisationsumwandlung entweder eine Verbreiterung des Divergenzwinkels oder eine Zunahme der Querschnittsgröße des Beleuchtungsstrahls oder beides ein. Im vorliegenden Fall verbreitert der Polarisationswandler 193 den Divergenzwinkel von Winkel 192 zu Winkel 194 in wenigstens einer Achse. Das großteils polarisierte Licht beleuchtet ein Polarisationslichtventil 195, wobei die Ausgangspolarisation von 193 der Durchlassachse des hinteren Polarisators 198 entspricht. Nachdem es durch den vorderen Polarisator 199 hindurch getreten ist, wird das modulierte Licht dann durch die Optik 196 auf einen Bildschirm – nicht dargestellt – oder für Direktsicht, wie beispielsweise mit einem kollimierten Kopfmonitor, projiziert. Um den maximalen Wirkungsgradnutzen zu erhalten, stellt die Optik 196 einen ausreichenden Sammelwinkel bereit, um den Großteil der Strahlen, die durch das Lichtventil moduliert wurden, aufzunehmen.
  • Die vergrößerte Ansicht des Elements 193 in 11 zeigt, wie diese Anordnung konfiguriert ist. Das gerichtete Licht 201 trifft auf eine lentikulare Oberfläche 210 eines Substrats 211 auf. Dieses Substrat ist mit einer dazwischen liegenden PSSE-Schicht 202 an ein Substrat 203 gebunden, wobei diese PSSE-Schicht, welche nur leicht vorwärts streuend ist, so aufgebaut ist, wie zuvor beschrieben. Strahlen, welche durch das PSSE hindurch traten, ohne gestreut zu werden, treten durch die Löcher 205 im Halbwellenplättchen 204 hindurch, wobei die Löcher dort angeordnet sind, wo die Strahlen durch die einzelnen kleinen sphärischen Linsen fokussiert werden. Die meisten Strahlen, welche von der orthogonalen Polarisation sind und welche vorwärts gestreut werden, verfehlen die Löcher und treten durch das Halbwellenplättchen 204 hindurch und werden gedreht, um dieselbe Polarisation wie die fokussierten Strahlen aufzuweisen. Der Umwandlungswirkungsgrad kann in Abhängigkeit von der f-Zahl, der optischen Qualität der kleinen sphärischen Linsen und dem Grad von eingehender Kollimation, sowie dem Niveau von Reflexionsverlusten durch das Element ziemlich hoch sein. Zahlreiche alternative Formen sind leicht vorstellbar, wie beispielsweise die Einbeziehung eines Polarisation bewahrenden Diffusors zwischen 203 und 204, wie er in einer Anwendung eines kollimierten Displays nötig sein könnte. Zahlreiche Strukturen mit kleinen sphärischen Linsen und Plättchen können verwendet werden, welche zusätzliche kleine sphärische Linsen hinter dem Plättchen aufweisen. Eine lentikulare PSSE-Struktur, wie beispielsweise das Element 90 in 3h, könnte auch sowohl als die lentikulare Struktur als auch das polarisationsempfindliche Element durch alleiniges Fokussieren einer Polarisation und nicht der anderen dienen.
  • Wie bei den anderen Anordnungen stellt nicht das PSSE an sich einen wirksamen Polarisationsmechanismus bereit. Auch hier wird die Polarisation durch Kombinieren des PSSEs mit einem geeigneten und neuartigen Öffnungsmechanismus erreicht.
  • Eine achte Anordnung ist in 12 dargestellt, welche veranschaulicht, wie die einzigartige Polarisationssteuerung, die durch das PSSE geboten wird, angewendet werden kann, um den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit von reflektierenden LCDs zu verbessern, wie beispielsweise gebräuchlichen segmentierten Displays, wobei Umgebungslicht als die Lichtquelle verwendet wird. In diesem einfachen Beispiel wird eine LCD, welche aus einem vorderen und einem hinteren transparenten Substrat 220 und 221, einer LC-Schicht 222 und nicht dargestellten elektrischen Adressierungsstrukturen besteht, durch Frontlichtstrahlen, wie beispielsweise die Lichtstrahlen 225, beleuchtet. Die Modulation des Lichts wird durch eine selektive Modifikation des Polarisationszustands der Strahlen i der Gegenwart des vorderen und des hinteren Absorptionspolarisators 223 und 224 bewerkstelligt. In herkömmlichen Displays dieser Art ist der Reflektor, der hinter dem hinteren Polarisator angeordnet ist, entweder polarisationsbewahrend oder voll diffus, aber nicht beides. In dieser Anordnung ist ein PSSE 226 hinter dem hinteren Polarisator angeordnet, und darauf folgt ein Spiegel 227 (nur notwendig, wenn das PSSE nicht hoch rückstreuend ist). Die Streuachse des PSSEs ist mit der Durchlassachse von 224 ausgerichtet. Dies stellt das hoch diffuse Streuprofil bereit, das in manchen Anwendungen wünschenswert ist, ohne die Verluste in Verbindung mit einer Entpolarisation einzuführen, da das PSSE die Polarisation ziemlich gut bewahrt. Ist ein PSSE mit einem ausreichenden Rückstreuungswirkungsgrad gegeben, können die Elemente 224 und 227 entfernt werden, und eine schwarze Schicht, die hinter 226 angeordnet ist, absorbiert die ungewünschte Polarisation. Obwohl in mancher Hinsicht den Drahtgitterpolarisatorverfahren des Standes der Technik für reflektierende Displays ähnlich, weist dieser Ansatz erhebliche Vorteile für die Direktsicht infolge seines diffusen Reflexionsgradprofils und des hohen Wirkungsgrades auf.
  • Das oben Gesagte ist eine Beschreibung eines neuartigen und nicht offensichtlichen Verfahrens zur Polarisation von Anzeigen mit hohem Wirkungsgrad. Der Anmelder beabsichtigt nicht, die Erfindung durch die vorhergehenden Beschreibung einzuschränken, sondern definiert die Erfindung stattdessen durch die hieran angehängten Patentansprüche.

Claims (2)

  1. Flüssigkristall-Bildprojektor, der Polarisationssteuerung verwendet, umfassend: eine Quelle (173) von Lichtstrahlen; ein polarisationsempfindliches Element (175), das in der Nähe der Quelle von Lichtstrahlen liegt, wobei das polarisationsempfindliche Element (175) für Lichtstrahlen einer ersten Polarisation im wesentlichen transparent ist; ein Flüssigkristallichtmodulationsmittel (170) im Weg der durch das polarisationsempfindliche Element übertragenen Lichtstrahlen, wobei das Flüssigkristallichtmodulationsmittel einen hinteren Polarisator enthält; und eine Projektionsoptik (174); wobei das Flüssigkristallichtmodulationsmittel Licht selektiv durchläßt, um ein gewünschtes Bild zu projizieren, und das polarisationsempfindliche Element zwischen der Quelle von Lichtstrahlen (173) und dem Lichtmodulationsmittel positioniert ist, um von dem hinteren Polarisator absorbierte Lichtenergie zu reduzieren; dadurch gekennzeichnet, daß das polarisationsempfindliche Element (175) ein polarisationsempfindliches streuendes Element (175) ist, wobei es ein Mikrostrukturverbundmaterial mit Materialbereichen mit unterschiedlicher Doppelbrechung ist und eine Streuverteilung für Lichtstrahlen einer zweiten Polarisation orthogonal zu der ersten Polarisation aufweist, die im wesentlichen zurückgestreut wird.
  2. Projektor nach Anspruch 1, wobei der Flüssigkristall-Bildprojektor eine Kollimationsoptik umfaßt, die zwischen dem Lichtmodulationsmittel und einem Betrachter positioniert ist, die die wahrgenommene Entfernung zwischen dem Betrachter und dem Lichtmodulationsmittel verändern.
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