DE3448116C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochgeschwindigkeits- Farbschalter für breitbandiges Licht mit einem zwischen zwei Polarisationsvorrichtungen eingefügtem durch Signale angesteuertem Lichtbeeinflussungselement

Die Erfindung betrifft ferner ein Farbbildsystem, das einen derartigen Farbschalter verwendet.

In Displaysystemen nach Art von Videobildschirmen mit elektro-optischen Verschlüssen oder Farbschaltern werden seither die Polarisations-Schaltfähigkeiten einer nematischen, elektro-optischen Flüssigkristalldrehzelle mit anisotropischen, optischen Eigenschaften anderer optischer Elemente in dem Versuch vereint, ein Display mit einem annehmbaren Farkontrastverhältnis zu versehen. Die durchlässige, nematische Flüssigkristalldrehzelle ist dabei als ein Farbschalter zwischen zwei gekreuzten Rot- und Grünpolarisationsvorrichtungen und einer neutralen Analysier- Polarisationsvorrichtung eingeschlossen, die nahe dem Betrachter oder Benutzer angeordnet ist. Wenn die Absorptionsachse der Analysier-Polarisationsvorrichtung mit der Polarisationsachse der Rot- Polarisationsvorrichtung gefluchtet der Flüssigkristall, wenn kein elektrisches Feld vorhanden ist, die Ebene, in welcher das polarisierte Licht schwingt, um 90°, so daß beispielsweise nur ein rotes Bild durch die Analysier-Polarisationsvorrichtung hindurchgeht. Bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes ist die Flüssigkristalldrehzelle "EIN"-geschaltet und die Drehung aufgehoben, so daß sie das polarisierte Licht hindurchgehen läßt, und auf dem Schirm ein grünes Bild erscheint.

Displayvorrichtungen mit nematischen Flüssigkristalldrehzellen, die möglicherweise auch für derartige Farbdisplaysysteme verwendet werden können, sind in den US-Patentschriften 40 19 808 und 42 39 349 offenbart. Farbdisplaysysteme mit einer nematischen Flüssigkristalldrehzelle werden in den US-Patentschriften 40 03 081 und 42 95 093 beschrieben.

Es ist bekannt, daß eine nematische Dreh-Zelle eine relativ langsame Abschaltzeit hat und deshalt als Farbschalter bei Video-Farb-Bildschirmsystemen nicht verwendbar ist. Für solche Systeme müßte ein Farbschalter verfügbar sein, der auf Signale von mit relativ hohen Bildfolgegeschwindigkeiten arbeitenden Synchronisationsschaltungen ansprechen kann, um auf dem Bildschirm ein flackerfreies Bild zu erhalten. Um den Nachteil der langsamen der nematischen Dreh-Zelle beizukommen, sind Zellen entwickelt worden, die Flüssigkristallmaterialien enthalten, denen eine dielektrische Anisotropie angezüchtet wurde, die als Funktion der Häufigkeit eines Schaltsignals, welches an die Zelle angelegt wird, von einem positiven zu einem negativen Wert wechselt.

Eine Zelle mit derartigem Flüssigkristallmaterial wird in der Veröffentlichung von Raynes und Shanks "Schnellschaltende, verdrehte, nematische, elektrooptische Shutter und Farbfilter", in "Electronic Letters", Bd. 10, Nr. 7, Seiten 114-115, vom 4. April 1974 offenbart. Die darin beschriebene Zelle weist ein Flüssigkristallmaterial mit einer veränderbaren dielektrischen Anisotropie auf, welche in einem von einem niedrigfrequenten Signal erzeugten Feld positiv und in einem von einem relativ hochfrequenten Signal erzeugten elektrischen Feld negativ ist. Also wird durch Anlegen eines niedrigfrequenten Signals an eine derartige nematische Dreh-Zelle die Vorrichtung "EIN"-geschaltet und durch einen hochfrequenten Stromstoß die Zelle zwangsweise in ihren gedrehten "AUS"-Zustand geschaltet.

Die nematische Drehzelle mit Schaltung durch zwei Frequenzen leidet unter dem Nachteil, daß sie eine sehr komplizierte Treiberschaltung benötigt, welche hochfrequente Signalstöße mit hohen Spannungspegeln an die von der Flüssigkristalldrehzelle dargestellte, Kapazität liefern kann. Außerdem ist es schwierig, solche Zellen genügend flächengroß herzustellen, die über große Bereiche gleichmäßig schalten können und die auf einem Bildschirm überall ein brauchbares und nicht ein fleckiges Bild liefern. Zwei-Frequenz- Materialien können auch nicht außerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs arbeiten.

Ein weiterer optischer Effekt, der in Flüssigkristallbildschirmen Anwendung findet, ist eine abstimmbare Doppelbrechung. Eine derartige Vorrichtung wird in der Veröffentlichung "Durchgangsverhalten einer nematischen Flüssigkristallschicht in einem elektrischen Feld" im "Journal de Physique", Bd. 36, Seiten C1- 261-C1-263 von C.F. van Doorn beschrieben. Die in der Veröffentlichung von Van Doorn beschriebene Flüssigkristalldrehzelle hat längliche Moleküle, die in Abhängigkeit von einer Vorspannung eine Neigung im gleichen Drehsinn aufweisen, wenn diese Neigung von der Fläche der Zellelektroden gesehen wird. Eine solche Zelle zeigt jedoch ein optisches "Prellen" bei der Umschaltung. Die daraus folgende verzögerte Erholungszeit, macht die Zelle für einen sicheren praktischen Gebrauch nicht verwendbar, der kurze Übergänge zwischen Schaltzuständen erfordert. In der nur ein theoretisches Verhalten beschreibenden Veröffentlichung von Van Doorn wird festgestellt, daß vermutlich ein Flüssigkristallmaterialfluß innerhalb der sich erholenden Zelle für das Auftreten des optischen Prell-Phänomens verantwortlich ist. Es scheint, daß die Richtung des Flüssigkristallflusses innerhalb der Zelle auf die zentral innerhalb der Zelle angeordneten örtlichen Moleküle eine umgekehrte Drehung ausübt, wobei die Richtung der Verdrehung zur Richtung der örtlichen Molekülausrichtung während der Erholung der Zelle entgegengesetzt ist und dadurch das optische Prellen und längere Erholungszeit verursacht.

Eine veränderbare Verzögerungsvorrichtung mit einer Flüssigkristallzelle von beträchtlicher Dicke, die ein optisches Prellen verhindern soll und dabei nur kurze Erholungszeit zwischen optischen Zuständen braucht, wird in der Veröffentlichung "Performance of a Surface Mode using Matrix Display" in Biennual Display Research Conference Proceedings, 1980, Seiten 177-179 von James L. Fergason beschrieben.

Die von Fergason in der Veröffentlichung beschriebene Vorrichtung ist jedoch für die meisten Verwendungen bei Bildschirmen nicht geeignet, weil sie nur einen sehr begrenzten Betrachtungskegel ermöglicht, wie dieser für alle sehr dicken Flüssigkristallzellen typisch ist.

In der US-Patentschrift 26 38 816 wird eine Vorrichtung offenbart, die Doppelbrechungseigenschaften bei anderen Materialien als Flüssigkristallen anwendet und die einen Adapter zur Erzeugung von Farbbildern von einem Schwarz-Weiß-Fernsehgerät beschreibt. Der in der US-Patentschrift 26 38 816 beschriebene Adapter weist eine Zelle mit Kerr-Effekt auf, was die Bezeichnung der Eigenschaft verschiedener isotropischer Stoffe ist, die in Anwesenheit eines elektrischen Feldes doppelbrechend werden.

Der bekannte Adapter polarisiert Licht, das vom Fernsehgerät ausgesendet wird. Die Kerrzelle empfängt das polarisierte Licht und trennt es in zwei zueinander rechtwinklige Komponenten. Das Ausmeß an Verzögerung einer dieser Komponenten verändert sich in bezug auf das der anderen als Funktion der elektrischen Feldstärke, die von einer äußeren, an die Zellenelektroden angelegten Spannung erzeugt wird welche sich synchron mit der Bildfolge des Fernsehgeräts ändert. Das Licht wird dann durch passive Doppelbrechungs-Folien hindurchgeleitet, um eine Lichtabgabe in verschiedenen Farben zu erzeugen. Ein dieser Vorrichtung anhaftender Nachteil ist der, daß Farben die von dem durch die passiven Doppelbrechung- Folien hindurchgehenden Licht entwickelt werden, unrein sind und ihr Erscheinen als Funktion des Blickwinkels variieren. Der Adapter verwendet außerdem interdigitale Elektroden, welche ein Linienmuster über den Bildschirm erzeugen. Die Vorrichtung erzeugt also Farbbilder, die für die meisten Bildschirmverwendungen hinnehmbar sind.

Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 55-142 316 von Obyabu beschreibt eine Flüssigkristallzelle, deren Flüssigkristallmoleküle an den gegenüberliegenden Substratflächen unter einem kleinen spitzen Winkel ausgerichtet sind, wobei die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle an jede Substratfläche im wesentlichen gleichförmig ist und auf den gegenüberliegenden Substratflächen im Drehsinn entgegengesetzt ist. Diese Flüssigkristallzelle wird als bistabile Vorrichtung betrieben, das heißt, daß ihre beiden Zustände nur durch Anlegen von Setz- bzw. Rücksetzsignalen geändert werden können. Die Frage der Lichtdurchlässigkeit spielt dabei keine Rolle, da es sich um ein Speicherelement handelt und nicht um eine optische Verzögerungseinrichtung.

Die vorliegende Erfindung geht von einem Hochgeschwindigkeits- Farbschalter für breitbandiges Licht mit einem zwischen zwei Polarisationsvorrichtungen eingefügten, einzeln angesteuerten Lichtbeeinflussungselement aus, wie aus der DE-OS 21 55 241 bekannt ist. Hierbei ist das Lichtbeeinflussungselement eine Flüssigkristallzelle. Eine der Polarisationsvorrichtungen weist einen farbselektiven Polarisationsfilter auf, der dem Licht einer Farbe eine um 90° versetzte Polarisation erteilt. Eine solche Vorrichtung setzt einen absolut parallelen Lichteinfall voraus. Die Farbumschaltgeschwindigkeit ist verhältnismäßig langsam.

Es besteht die Aufgabe, einen Farbschalter für ein Farbbildsystem verfügbar zu machen, bei dem ein Umschaltvorgang in schnell änderbarer Bilddarstellung in eine von zwei beliebigen Farben erfolgt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Hochgeschwindigkeits-Farbschalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeits-Farbschalters und ein diesen Farbschalter verwendendes Farbbildsystem sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Systems mit Farbfernsehbildröhre mit eingebauter veränderbarer Verzögerungsvorrichtung, welche in einer optischen Anordnung als optischer Schalter gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist,

Fig. 2 eine schematische Perspektivdarstellung, in welcher die Ausrichtung der Absorptionsachse der Polarisierungsfilter in Beziehung zu den optischen Achsen der veränderbaren Verzögerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,

Fig. 3 einen schematischen Aufriß einer Flüssigkristallzelle der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4A bis 4D schematische Aufrisse verschiedener Zustände dieser Flüssigkristallzelle, wie sie nachstehend näher erläutert werden und

Fig. 5 ein Diagramm des Ansprechens einer Flüssigkristallzelle, wenn sie durch Wegnehmen eines 20Veff Signalstoßes von ihrem "EIN"-Zustand in ihren "AUS"-Zustand geschaltet wird.

Zunächst wird die allgemeine Anordnung und Wirkungsweise der Farbbildanzeige beschrieben.

Gemäß Fig. 1 hat eine bevorzugte Ausführung eine Farbbildröhre 10 eine entsprechend der vorliegenden Erfindung veränderbare Flüssigkristall Verzögerungsvorrichtung 12, welche zwischen einem Paar zueinander rechtwinkliger erster und zweiter farbselektiver, pleochroischer, linearer Polarisatoren 14 bzw. 16 und einer neutralen Polarisationsvorrichtung 18 angeordnet ist. Der farbselektive Polarisator 16 hat eine Absorptionsachse, welche nur Licht der zweiten Farbe durchgehen läßt. Es ist hervorzuheben, daß die hier näher beschriebene Flüssigkristall-Verzögerungsvorrichtung 12 durch eine andere veränderbare Null- bis-Halbwellen-Verzögerung mit annehmbarer Schaltgeschwindigkeit ersetzt werden kann.

Eine "optische Verzögerung" durch Doppelbrechung wird durch die folgende Erklärung definiert: Ein auf eine Doppelbrechnungsvorrichtung fallender Lichtstrahl wird bekanntermaßen in zwei Komponenten zerlegt, die als gewöhnliche und außergewöhnliche Lichtstrahlen bezeichnet werden. Diese Lichtkomponenten passieren die Doppelbrechungsvorrichtung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit; wenn sie aus der Vorrichtung wieder austreten, ist der eine Strahl in bezug auf den anderen verzögert. Aus der Verzögerung ergibt sich eine relative Phasenverschiebung zwischen den beiden austretenden Strahlen, wobei die Verzögerung auch von der die Wellenlänge des austretenden Lichtstrahls abhängt. Beispielsweise wird eine Vorrichtung mit einer wirksamen Bifraktion wie beispielsweise

als Halbwellenverzögerungs-Vorrichtung bezeichnet, wobei Δn die wirksame Bifraktion, "d" die Dicke der Vorrichtung und λ die Wellenlänge des austretenden Lichtstrahls ist.

Die von der Verzögerungsvorrichtung 12 und den Polarisationsvorrichtungen 14, 16 und 18 gebildete optische Anordnung wird vor einer Lichtbildquelle 20 angeordnet, die beispielsweise ein Lichtschirm 22 sein kann und Licht zur Erzeugung eines Bildes in Rot- und Grünfarben aussendet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des offenbarten Systems besteht die Lichtbildquelle 20 aus einer Kathodenstrahlröhre oder einer Projektionsvorrichtung, welche mittels Fernsehrasterabtastung eines von einem Rastergenerator 23 unter Ansprechen von einer Bildsynchronisationsschaltung 24 erzeugten Signals aufeinanderfolgende Informationsbilder in abwechselnden ersten und zweiten Zeitintervallen abgibt.

Beim ersten Zeitintervall wird sowohl Information, die die Form des in einer ersten Farbe, beispielsweise rot, zu erscheinenden Bildes als auch die Form des in einer Kombination der Farbe "rot" und einer zweiten Farbe, wie beispielsweise "grün" erscheinenden Bildes betrifft, auf den Leuchtschirm 22 geschrieben. Im zweiten Zeitintervall wird sowohl Information, die die Form des in der Farbe "grün" zu erscheinenden Bildes als auch die Form des in einer Kombination der Farben "rot" und "grün" zu erscheinenden Bildes auf den Leuchtschirm 22 geschrieben. Die Farbpolarisatoren 14 und 16 empfangen das vom Leuchtschirm 22 übertragene Licht und polarisieren es rechtwinklig und linear in die Farben "rot" und "grün". Das polarisierte Licht wird dann auf die der Farbpolarisationsvorrichtung 16 folgende veränderbare Verzögerungsvorrichtungen 12 übertragen.

Ein veränderbarer Verzögerungstreiber 26 empfängt ein Signal vom Ausgang einer Bildsynchronisationsschaltung 24, um die veränderliche Verzögerungsvorrichtung 12 synchron mit der Bildfolge-Geschwindigkeit der von der Lichtbildquelle 20 erzeugten Bildinformation zu erregen. Während des ersten Zeitintervalls steuert daher der Treiber 26 die veränderbare Verzögerungsvorrichtung 12 in ihren "AUS"-Zustand, was eine Ausrichtung ihrer optischen Achse bewirkt, in der eine Halbwellenverzögerung des Lichtes der Farbe "grün" erfolgt. In diesem Zeitabschnitt wird kein Licht der Farbe "grün" durch den linearen Polarisator 18 übertragen und dadurch werden die nicht erwünschten Bildkomponenten in der Farbe "grün" eliminiert, die während des ersten Zeitintervalls auf dem Leuchtschirm erscheinen. Während des zweiten Zeitabschnitts steuert der Treiber 26 die veränderliche Verzögerungsvorrichtung 12 in ihren "NEIN"- Zustand, was eine Ausrichtung ihrer optischen Achse bewirkt, in der eine verringerte Verzögerung von allen durch die Polarisation 14 und 16 hindurchgehenden Lichtes bewirkt wird. Diese Ausrichtung der Absorptionsachse der linearen Polarisationsvorrichtung 18 absorbiert nur Licht der Farbe "rot", wie nachfolgend noch beschrieben wird.

Die abwechselnden Bilder, die sich im ersten und zweiten Zeitabschnitt erzeugen lassen, werden durch die ersten und zweiten farbselektiven Polarisatoren 14 und 16 übertragen und werden synchron durch die Verzögerungsvorrichtung 12 und den linearen Polarisator 18 übertragen. Durch das Netzhautbeharrungsvermögen im Auge des Betrachters wird die von dem Polarisator 18 dargebotene Information während der beiden Zeitabschnitte, die abwechselnden Halbbildern von Fernsehrastersignalen entsprechen, integriert, und so wird der Eindruck eines einzigen mehrfarbigen Bildes erzeugt. Eine Intensitätsmodulation der Lichtbildquelle erzeugt einen Farbumspektrum innerhalb eines Spektralbereiches zwischen den roten und grünen Farben.

Nachstehend wird die Orientierung der optischen Elemente unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Zunächst sorgt die geschilderte Ausrichtung der Absorptionsachsen der Polarisatoren 14, 16 und 18 für das erwünschte Schalten zwischen zwei Farben. Ein Schlitz 36 der optischen Achse der veränderbaren Verzögerungsvorrichtung 12 auf einer jeden ihrer mit dem Licht kommunizierenden Flächen 37 ist im wesentlichen in einem Winkel von 45° mit Bezug auf die Absorptionsachsen der Polarisatoren 14 und 16 angeordnet.

Der pleochroische, lineare Polarisator 14 übermitttelt Licht, das entlang einer vertikal angeordneten Absorptionsachse 28 polarisiert ist und "rotnahe" Farben des sichtbaren Spektrums enthält, und überträgt entlang einer horizontal angeordneten Transmissionsachse 30 alle Farben des sichtbaren Spektrums. Der pleochroische, lineare Polarisator 16 übermittelt Licht, das entlang einer horizontal angeordneten Absorptionsachse 32 polarisiert ist und "grünnahe" Farben des sichtbaren Spektrums enthält, und überträgt entlang einer vertikal angeordneten Transmissionsachse 34 alle Farben des sichtbaren Spektrums. Die Kombination der beiden pleochroischen Polarisatoren stellt so eine farbselektive Polarisationsvorrichtung dar, die vom Leuchtschirm 22 übertragenes Licht der roten und grünen Farben rechtwinklig polarisiert.

Immer wenn sich die veränderbare Verzögerungsvorrichtung 12 im abgeschalteten ("AUS")-Zustand befindet, ist ihre optische Achse 36 so ausgerichtet, daß das Licht der Farbe "grün" in Licht umgewandelt wird, das senkrecht zu einer Transmissionsachse 38 des neutralen Polarisators 18 linear polarisiert ist und von ihr absorbiert wird. Die horizontal angeordnete Transmissionsachse 38 des linearen Polarisators 18 überträgt Licht der Farbe "rot". Die Transmissionsachse 38 ist im rechten Winkel zur Absorptionsachse 28 des rotfarbintensiven Polarisators 14 angeordnet, um eine Übertragung von Licht in roter Farbe zu ermöglichen, das entlang der Richtung der Transmissionsachse 38 durch die Verzögerungsvorrichtung 12 projiziert wird.

Immer wenn sich die veränderbare Verzögerungsvorrichtung 12 im "EIN"-Zustand befindet, ist ihre optische Achse so angeordnet, daß sich daraus eine wesentliche Reduzierung der optischen Verzögerung des durch die Polarisatoren 14 und 16 hindurchgehenden Lichtes sowohl in roter als auch in grüner Farbe ergibt. Eine vertikal angeordnete Absorptionsachse 40 des linearen Polarisators 18 ist in der gleichen Richtung angeordnet wie die Absorptionsachse 28 des rotfarbsensitiven Polarisators 14 und absorbiert daher Licht der Farbe "rot", da die Verzögerungsvorrichtung 12 in ihrem "EIN"-Zustand kein einfallendes Licht gleich welcher Farbe verzögert. Da die lineare Polarisationsvorrichtung entlang ihrer Transmissionsachse 38 Licht in allen Farben durchgehen läßt, wird Licht in der Farbe "grün" durch sie übertragen.

Anschließend wird die variable Verzögerungsvorrichtung der Flüssigkristalleinrichtung näher beschrieben. Wie bereits zuvor dargelegt, weist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine Flüssigkristallzelle auf, die als eine veränderbare Null-zu-Halbwellen-Verzögerungsvorrichtung arbeitet, welche die Verzögerung des Lichtdurchgangs in Erwiderung auf die Intensität eines elektrischen Feldes steuert, das durch eine an die Zellenelektroden angelegte Erregerspannung erzeugt wird.

Gemäß Fig. 3 weist eine Flüssigkristallzelle 100 ein Paar paralleler, seitlich zueinander im Abstand gehaltener Flächenelektroden 102 und 104 mit dazwischen befindlichen nematischen Flüssigkristallmaterial 106 auf. Die Elektrode 102 hat eine dielektrische Glasunterlage 108, auf deren Innenfläche sich eine Schicht 110 von elektrisch leitendem, jedoch optisch transparentem Material wie beispielsweise Indiumzinnoxid befindet. Eine Ausrichtungsfilmschicht 112 ist auf der leitenden Schicht 110 aufgebracht und bildet eine Grenze zwischen der gesamten Elektrode 102 und dem Flüssigkristallmaterial 106. Die Oberfläche des Films 112, die in Berührung mit dem Flüssigkristallmaterial steht, wird nach einem von zwei bevorzugten Verfahren derart behandelt, daß eine bevorzugte Ausrichtung der Moleküle des damit in Berührung stehenden Flüssigkristallmaterials gefördert wird. Die Materialien, aus denen die Ausrichtungsfilmschicht 112 besteht und die entsprechenden Verfahren ihrer Behandlung werden nachfolgend im Detail beschrieben. Der Aufbau der gegenüberliegenden Elektroden 104 ist gleich dem der Elektrode 102 und die der Elektrode 102 entsprechenden Elemente sind mit identischen mit "′" versehenen Bezugszeichen bezeichnet.

Die Kanten der kurzen Seiten der Elektroden 102 und 104 sind in bezug aufeinander versetzt, um den Zugang zu den leitenden Schichten 110 und 110′ zum Anschließen der Ausgangsleiter des Verzögerungstreibers 26 an Anschlußklemmen 113 zu ermöglichen. Es können Abstandshalter 114 aus jeglichem geeigneten Material wie beispielsweise Glasfasern benutzt werden, um die parallele Ausrichtung zwischen den Elektroden - 102 und 104 zu gewährleisten.

Anhand der Fig. 4A-4D wird nachfolgend die nematische Molekülausrichtungskonfiguration der Schichten 112 und 112′ in der Flüssigkristallzelle 100 beschrieben. Hierbei wird auf das Bezug genommen, was in Spalte 7, Zeilen 48-55 der US-PS 43 33 708 offenbart ist. Hierbei ist sogleich darauf zu verweisen, daß sich die vorliegende Erfindung in bezug auf die Flüssigkristallzelle von derjenigen gemäß US-PS 43 33 708 dadurch unterscheidet, daß die Molekülausrichtung der Zelle 100 von der abwechselnd geneigten geometrischen Konfiguration nur zum Teil Gebrauch macht. Die bekannte Zelle ist als eine bistabile Schaltvorrichtung aufgebaut, und fördert lediglich eine Kippbewegung der Moleküle.

Demgegenüber ist die Filmschicht 112 der Elektrode 102 in einen solchen Zustand gebracht, daß sie mit den sie berührenden Molekülen 116 einen Neigungsvorspannungswinkel +R gemessen gegen den Uhrzeigersinn einschließt. Die Filmschicht 112′ der Elektrode 104 ist in einen solchen Zustand gebracht, daß sie mit den sie berührenden Molekülen einen Neigungsvorspannungswinkel -R gemessen im Uhrzeigersinn einschließt. Daher ist die Flüssigkristallzelle 100 so hergestellt, daß die flächenberührenden Moleküle 116 und 118 der gegenüberliegenden Flächen in entgegengesetzten Richtungen neigungsvorgespannt sind.

Nach einem ersten bevorzugten Verfahren zum Erreichen der gewünschten Ausrichtung der flächenberührenden Moleküle wird die Verwendung von Polyimid als Material für die Filmschichten 112 und 112′ gewählt. Jede Filmschicht wird gerieben behandelt, um einen Neigungsvorspannungswinkel |R| zu erhalten, wobei 2° bis 5° im bevorzugten Bereich liegen. Bei einem zweiten bevorzugten Verfahren zum Erreichen der gewünschten Ausrichtung der flächenberührenden Moleküle Siliziummonoxid für die Filmschichten 112 und 112′ verwendet. Die Silizium-Monoxidschicht wird vorzugsweise in einem Winkel von 5° aufgedampft gemessen von der Elektrodenfläche, wobei aus dem Dampf eine Menge niedergeschlagen wird, die ausreichend ist, um einen Neigungswinkel |R| von 10° bis 30° zu erhalten, wobei 15° bis 25° im bevorzugten Bereich liegen.

Es ist anzumerken, daß Verfahren zum Niederschlagen von Siliziumoxid oder anderer Materialien zum Ausrichten von Flüssigkristallmolekülen in einer vorbestimmten Richtung seit längerem an sich bekannt sind. Hierzu kann beispielsweise auf die US- PS 41 65 923 verwiesen werden.

In Fig. 4A wird die Ausrichtung von flächennichtberührenden Molekülen 120 verdeutlicht, wenn ein Wechselstromsignal V₁ von annähernd 2 kHz und 20 Veff an die leitenden Schichten 110 und 110′ der Elektroden 102 bzw. 104 angelegt ist. Das Signal V₁ auf der leitenden Schicht 110′ stellt einen ersten Schaltzustand dar, der elektrisches Wechselfeld E zwischen den Elektroden 102 und 104 innerhalb der Flüssigkristallzelle 100 erzeugt, um die Zelle in ihren "EIN"-Zustand zu bringen. Eine wesentliche Anzahl der flächennichtberührenden Moleküle 120 des Flüssigkristallmaterials 106, das einen positiven Anisotropiewert aufweist, fluchten im wesentlichen in ihrer End-zu-End-Ausrichtung in einer Richtung 121 der Flußlinien des elektrischen Feldes innerhalb der Zelle, wobei diese Richtung zu den Flächen 112 und 112′ der Elektroden senkrecht steht. Es ist zu bemerken, daß die flächenberührenden Moleküle 116 und 118 ihre Neigungsvorspannungswinkel |R| im wesentlichen in den beiden topologischen Zuständen der Zelle beibehalten, wobei der erste dieser Zustände in den Fig. 4A bis 4C und der zweite in Fig. 4D dargestellt ist.

In Fig. 4B wird die Ausrichtung der flächennichtberührenden Moleküle 120 nach Wegnahme des Signals V₁ dargestellt, wenn die Ausrichtung der flächennichtberührenden Moleküle 120 von einem elektrischen Feld, nicht beeinflußt ist, sondern von den intermolekularen elastischen Kräften (in Richtung 124), welche ein Zurückdrehen der flächennichtberührenden Moleküle aus der End-zu-End-Ausfluchtung des "EIN"-Zustandes verursachen. Die Wegnahme des Signals V₁ stellt einen zweiten Schaltzustand her. Die Molekülausrichtung in Fig. 4B entspricht dem "AUS"-Zustand der Zelle.

Ein Umschalten der Zelle in den "AUS"-Zustand kann ebenfalls durch Anlegen eines Wechselstromsignals V₂ bewirkt werden, das am Ausgang des Treibers 26 mit einer Spannung erzeugt wird, die geringer ist als die des Signals V₁ und im allgemeinen in die Nähe von null Volt kommt. Die Frequenz des Signals V₂ ist im allgemeinen die gleiche wie die des Signals V₁.

Während des Übergangs von dem "EIN"- in den "AUS"- Zustand der Flüssigkristallzelle drehen die flächennichtberührenden Moleküle aus der zu den Elektrodenflächen senkrecht verlaufenden End-zu-End-Ausrichtung zurück und richten sich dann in einer allgemein parallelen Beziehung zu den benachbarten Molekülen aus. Also drehen sich die flächennichtberührenden Moleküle 120a und 120b im von Richtungspfeilen 122a angezeigten Uhrzeigersinn, um eine nahezu parallele Anordnung in bezug auf die Moleküle 116 bzw. 120a einzunehmen, und die flächennichtberührenden Moleküle 102c und 102d drehen sich gegen den Uhrzeigersinn, wie von Richtungspfeilen 122b angezeigt wird, um eine nahezu parallele Anordnung in bezug auf die Moleküle 118 bzw. 120c einzunehmen. Wenn also die Zelle 100 in ihren "AUS"-Zustand gebracht wird, ist ein jeder von einer beträchtlichen Anzahl von flächennichtberührenden Molekülen ausgerichtet, so daß sie eine Komponente auf die Flächen der Zelle projizieren. Die flächennichtberührenden Leiter jedoch liegen annähernd in einer Ebene, die senkrecht zu den Flächen der Zelle verläuft.

Es ist anzumerken, daß die Flächegeometrie der Zelle 100 sich von der herkömmlichen veränderlichen Flüssigkristallverzögerungszelle, wie sie beispielsweise in der Veröffentlichung von van Doorn beschrieben ist, deshalb unterscheiden, weil bei der herkömmlichen Zelle alle Neigungsvorspannungswinkel denselben Drehsinn aufweisen. Demgegenüber werden erfindungsgemäß gegeneinandergerichtete Neigungen benutzt. Die flächenberührende Molekülkonfiguration der Zelle 100 induziert daher eine schnelle Entspannung der nichtberührenden Moleküle vom "EIN"- in den "AUS"-Zustand ohne ein optisches "Prellen". Es wird angenommen, daß die schnelle, optische, stoßfreie Entspannung durch den Fluß von Flüssigkristallmaterial in der gleichen Richtung 124 entlang der beiden behandelnden Flächen 112, 112′ der Zelle verursacht wird. Ein solcher gleichgerichteter Fluß ist in der Veröffentlichung von van Doorn beschriebenen Zelle nicht anzutreffen. In dieser Zelle tritt ein entgegengesetzter Fluß entlang den behandelten Flächen auf. Die günstige Auswirkung des gleichgerichteten Materialflusses in der Zelle 100 ist die, daß auf die zentral angeordneten flächennichtberührenden Moleküle 102e durch einen solchen Fluß in der sich entspannenden Zelle keine "umgekehrte" Verdrehung ausgeübt wird. So ergibt sich eine stoßfreie, schnelle, elektrisch-optische Vorrichtung.

In Fig. 4C ist die Ausrichtung der Moleküle nach einer Zeit T₁ dargestellt, in der sich die Flüssigkristallzelle 100 weiter über den in Fig. 4B dargestellten "AUS"-Zustand hinaus entspannen kann. Dies wird im allgemeinen dann auftreten, wenn nach 50 ms, nach Wegnehmen des elektrischen Feldes, nicht wieder ein elektrisches Feld an die Zelle angelegt wird. Die in Fig. 4C dargestellte Molekülkonfiguration weist als Besonderheit auf, daß die flächennichtberührenden Molekülleiter ihre planare Konfiguration aufgeben und eine π-Radian-Verdrehung oder schraubenförmiger Konfiguration annehmen. Bei der weiteren Entspannung der Zelle in der π-Radian-Verdreh-Konfiguration erfolgt eine Disklinations-Bewegung und die Konfiguration degeneriert in einer Zeit T₂ von etwa mehreren Minuten in den in Fig. 4D dargestellten breiten, gespreizten oder querliegenden Zustand. Es ist zu bemerken, daß das periodische Anlegen eines Wechselstromsignals V₃ von annähernd 1 V an die Zelle eine weitere Entspannung der flächennichtberührenden Moleküle in den π-Radian-Verdrehungszustand verhindern kann.

Das Verfahren des Betriebs der Flüssigkeitszelle 100 als eine veränderbare Null-bis-Halbwellen- Verzögerungsvorrichtung ist auf eine disklinationsfreie, flächennichtberührende Molekülentspannung vom in Fig. 4A dargestellten, ausgerichteten "Nein"-Zustand in den in Fig. 4B dargestellten "AUS"-Zustand mit planarer Konfiguration gerichtet.

Bei der vorliegenden Erfindung wird die Flüssigkristallzelle 100 als eine veränderbare Null-bis- Halbwellen-Verzögerungsvorrichtung betrieben, deren optische Achse der Ausrichtung der flächennichtberührenden Moleküle 120 entspricht.

Linear polarisiertes Licht, das sich in der Richtung 126 senkrecht zu den Flächen der Elektroden 102 und 104 fortpflanzt, fällt mit der Richtung der flächennichtberührenden Moleküle 120 zusammen, wenn sich die Flüssigkristallzelle im "EIN"-Zustand befindet. Die Moleküle 120 sind in einem solchen "EIN"-Zustand ausgerichtet, so daß es nur eine vernachlässigbare Projektion der optischen Achse auf die Elektrodenflächen der Zelle gibt. Unter diesen Bedingungen erzeugt die Flüssigkristallzelle 100 eine wesentlich reduzierte optische Verzögerung für sich in der Richtung 126 fortpflanzendes Licht.

Linear polarisiertes Licht, das sich in der Richtung 126 senkrecht zu den Flächen der Elektrodenanordnungen 102 und 104 fortpflanzt, fällt nicht mit der Ausrichtung der flächennichtberührenden Moleküle 120 zusammen, wenn sich die Flüssigkristallzelle im "AUS"-Zustand befindet. Die Moleküle 120 sind in einem solchen "AUS"-Zustand so ausgerichtet, daß bei einer großen Anzahl von ihnen eine erhebliche Länge auf die Elektrodenflächen der Zelle projiziert wird. Unter diesen Umständen hat die Flüssigkristallzelle 100 eine erhebliche Doppelbrechung für senkrecht einfallendes Licht. Die Ausrichtung der flächennichtberührenden Moleküle 120 bringt im wesentlichen eine optische Halbwellenverzögerung für Licht der Wellenlänge λ, die dem mathematischen Ausdruck

entspricht, wobei d die Dicke 128 und Δn die wirksame Doppelbrechung der Zelle darstellt.

Im Diagramm von Fig. 5 wird das optische Ansprechen einer Flüssigkristallzelle dargestellt, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung betrieben wird, wobei die Übergangszeit zwischen dem "EIN"- und dem "AUS"-Zustand der Zelle annähernd 1. Oms beträgt. Diese Ansprechzeit wurde mit einer Zelle erzielt, die von BDH Chemicals Ltd., Poole, England, aus Flüssigkristallmaterial vom Typ E-44 mit einer Dicke von 3 µm und für ene 2 kH-Spannung von z+20 Veff hergestellt wurde. Dieses relativ schnelle optische Ansprechen wird dem Wegfall des optischen Prellens zugeschrieben, das durch den gleichgerichteten Fluß von Flüssigkristallmaterial innerhalb der Zelle während der Wiederausrichtung der flächennichtberührenden Moleküle, beim Übergang vom "EIN"- in den "AUS"-Zustand bewirkt wird.

Es ist zu bemerken, daß die Flüssigkristallzelle 100 eine Flüssigkristallmaterialmischung aufweisen kann, die eine dielektrische Anisotropie besitzt, deren Vorzeichen sich als eine Funktion der Frequenz eines an die Zelle angelegten Wechselspannungssignals, das ändert. Wenn also an die Elektroden 102 und 104 der Flüssigkristallzelle ein Signal mit niedriger Frequenz von beispielsweise 200-500 Hz angelegt wird, besteht bei den flächennichtberührenden Molekülen 120 die Tendenz, sich parallel zur Richtung des elektrischen Feldes und senkrecht zu den Zellenflächen auszurichten. Wenn ein hochfrequenter Signalstoß lange genug angelegt wird, wird die Zelle veranlaßt, eine Molekülkonfiguration einzunehmen, die eine Halbwellenverzögerung erzeugt. Es ist jedoch vorzuziehen, die Flüssigkristallzelle mit der Frequenz arbeiten zu lassen, um nicht eine komplexe Hochleistungsantriebs- Signalquelle verwenden zu müssen.

Die Flüssigkristallzelle 100 kann auch als kontinuierlich veränderbare optische Verzögerungsvorrichtung verwendet werden. Im Falle einer Einfrequenz- Flüssigkristallzelle wird dies durch Einstellen der Spannung des an die Zelle 100 angelegten Wechselspannungssignals erreicht, wobei die flächennichtberührenden Moleküle in einer Konfiguration ausgerichtet werden, die einer ersten optischen Verzögerung entspricht. Ein Ansteigen der an die Zelle angelegten Signalspannung erzeugt eine entsprechende Verringerung der Projektion der Moleküllängen auf die Fläche der Zelle und dadurch eine zweite, abgeschwächte optische Verzögerung von auf die Zelle auftreffendem Licht. Im Falle einer Flüssigkristallzelle mit zwei Frequenzen würde andauernd ein niedrigfrequentes Signal einer ersten Spannung erzeugt, die ausreicht, um die flächennichtberührenden Moleküle in einer Konfiguration auszurichten, die der ersten optischen Verzögerung entspricht. Dabei wird die Zelle an einer weiteren Entspannung gehindert und dadurch eine im wesentlichen konstante optische Verzögerung aufrechterhalten. Um von der ersten zu einer zweiten, höheren Verzögerung überzuwechseln, wird ein Hochfrequenzstoß so lange angelegt, bis die flächennichtberührenden Moleküle in einer Konfiguration ausgerichtet sind, die dem zweiten Verzögerungszustand entspricht. Fortwährendes Anlegen eines niedrigfrequenten Signals einer zweiten Spannung, die niedriger als die erste Spannung ist, hindert die Zelle an einer weiteren Entspannung und dadurch wird eine im wesentlichen konstante zweite optische Verzögerung aufrechterhalten.

Die Zelle 100 kann auch in eine optische Anordnung eingebaut werden, die vom schwarzen Zustand in einen transparenten Zustand schaltet. Da es der Flüssigkristallzelle 100 im "AUS"-Zustand nicht möglich ist, alle Wellenlängen von linear polarisiertem Licht in solches Licht umzuwandeln, das einen Winkel von 90° zu der einfallenden Polarisationsrichtung einnimmt, wird schwarz als der "EIN"-Zustand gewählt.

Gemäß Fig. 2 weisen die optischen Elemente des Ausführungsbeispiels, lediglich die Polarisatoren 16 und 18 und die Verzögerungsvorrichtung 12 auf, in welcher die Zelle 100 enthalten ist. Der Polarisator 16 ist von neutraler Art und absorbiert alles Licht, das auf die Absorptionsachse 32 polarisiert wird. Im "EIN"-Zustand der Verzögerungsvorrichtung 12 würde alles von der Polarisationsvorrichtung 16 übertragene Licht vollständig entlang der Absorptionsachse 40 der Polarisationsvorrichtung 18 absorbiert werden. Im "AUS"-Zustand der Verzögerungsvorrichtung 12, würde das meiste von der Polarisationsvorrichtung 16 übertragene Licht von der Polarisationsvorrichtung 18 übertragen werden, wenn die Zelle 100 abgestimmt wäre (d. h. durch Auswahl der geeigneten Zellendicke für die besondere Art des verwendeten Flüssigkristallmaterials) zur Erzeugung einer Halbwellenverzögerung für eine Wellenlänge, die annähernd in der Mitte des sichtbaren Spektrums liegt.

Claims (11)

1. Hochgeschwindigkeits-Farbschalter für breitbandiges Licht mit einem zwischen zwei Polarisationsvorrichtungen eingefügten einzeln angesteuerten Lichtbeeinflussungselement, wobei das Lichtbeeinflussungselement eine Flüssigkristallzelle (12) ist und eine der Polarisationsvorrichtungen (14, 16, 18) einen farbselektiven Polarisationsfilter (14, 16) aufweist, der dem Licht einer einer Farbe eine bestimmte Polarisation und dem Licht der anderen Farbe eine um 90° versetzte Polarisations erteilt, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallzelle (12) durch Signale gesteuert wird, die unterschiedliche Beträge an Lichtverzögerungen verursachen, wobei die Steuerung in der Weise erfolgt, daß eine erste Verzögerung und eine zweite Verzögerung für eine selektive Lichttransmission in einer von zwei Farben eintritt, wobei sich die ersten und zweiten Verzögerungen um etwa die Hälfte der Wellenlänge des Lichts unterscheiden und daß die Flüssigkristall-Moleküle der Zelle auf zueinander der gegenüberliegenden Substratoberflächen ausgerichtet sind, um kleine spitze Winkel zu bilden, wobei die Ausrichtungswinkelgröße der Flüssigkeitsmoleküle praktisch gleich auf jeder Substratoberfläche und im Rotationssinn in diesem Winkel, aber entgegengesetzt auf gegenüberliegenden Substratflächen ausgerichtet sind und daß schließlich die optische Dicke der Flüssigkeitskristallsubstanz ausreichend klein ist, um die optische Verzögerung über einen relativ breiten Bereich der Winkel des einfallenden Lichts praktisch gleich zu halten.

2. Farbschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennnzeichnet, daß die variable optische Flüssigkristall- Verzögerungsvorrichtung (12) auf eine λ/2-Verzögerung einer der beiden Farben abgestimmt ist.

3. Farbschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennnzeichnet, daß die andere Verzögerung im wesentlichen eine O-Verzögerung ist zur Abgabe des Lichts der anderen Farbe.

4. Farbschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Farben im wesentlichen reine Farben sind.

5. Farbschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das farbselektive Polarisationsfilter zwei pleochroitische lineare Polarisatoren (14, 16) mit zueinander senkrechten Absorptionsachsen (28, 32) aufweist, wobei die Absorptionsachse (28) des ersten Polarisators (14) Licht einer ersten Farbe und die Absorbtionsachse (32) des zweiten Polarisators (16) Licht einer zweiten Farbe hindurchläßt.

6. Farbbildsystem mit einer Breitbandlichtquelle dadurch gekennzeichnet, daß ein Farbschalter gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bilddarstellung in einer von zwei Farben vorgesehen ist.

7. Farbbildsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Dicke des Flüssigkristallmaterials derart gering bemessen ist, daß die optische Verzögerung über einen breiten Bereich von Lichteinfallswinkel praktisch gleichförmig ist.

8. Farbbildsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Lichtquelle abgegebenen Lichtstrahlen synchron mit dem Zustandswechsel des Farbschalters (12) moduliert werden, so daß sich ein mehrfarbiges Bild ergibt.

9. Farbbildsystem nach einem der Ansprüche 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbschalter (12) eine Flüssigkristallzelle umfaßt, dessen Flüssigkristallmaterial ausrichtbare Flüssigkristallmoleküle aufweist, daß in einem ersten Schaltzustand ein starkes elektrisches Feld an die Flüssigkristallzelle gelegt wird, so daß sich die Flüssigkristallmoleküle im wesentlichen hintereinander in einer Richtung parallel zu den Flußlinien des elektrischen Feldes ausrichten, und daß in einem zweiten Schaltzustand ein schwaches elektrisches Feld an die Flüssigkristallzelle gelegt wird, wodurch die Flüssigkristallmoleküle aus der Hintereinanderausrichtung in eine Ausrichtung übergehen, bei der eine Komponente jedes einer erheblichen Anzahl von Flüssigkristallmolekülen auf die Substratflächen projiziert wird.

10. Farbbildsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbschalter eine Flüssigkristallzelle verwendet wird, aus einer Flüssigkristallmischung die ausrichtbare Flüssigkeitsmoleküle enthält und eine frequenzabhängige variable dielektrische Anisotropie aufweist, wobei in einem ersten Zustand ein Signal mit niedriger Frequenz an die Flüssigkristallzelle gelegt wird, das in der Flüssigkristallzelle ein erstes elektrisches Wechselfeld erzeugt, das die Flüssigkristallmoleküle in einer Richtung parallel zu den Flußlinien des elektrischen Feldes ausrichtet, und wobei in einem zweiten Schaltzustand ein Signal hoher Frequenz an die Flüssigkristallzelle angelegt wird, bei der die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle nicht parallel zu den Flußlinien des elektrischen Feldes ist.

11. Farbbildsystem nach einem der Ansprüche 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbschalter eine Flüssigkristallzelle verwendet wird und derart betrieben wird, daß ein elektrisches Feld erneut an die Flüssigkristallzelle angelegt wird, bevor sie sich über ein vorbestimmtes Ausmaß entspannt hat.