DE60301687T2 - Reflektierende Anzeige unter Verwendung photonischer Kristalle - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine reflektierende Anzeige. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine reflektierende Anzeige unter Verwendung photonischer Kristalle, die eine verbesserte optische Leistungsfähigkeit aufgrund der selektiven Reflexion und des hohen Reflexionsvermögens von Photonischen Kristallstrukturen aufweist.
  • Eine Anzeige einer tragbaren Vorrichtung, wie z.B. eines Mobiltelefons oder eines Personal Digital Assistant (PDA), verwendet eine reflektierende Farbanzeige, um ein Bild unter Verwendung der Reflexion des umgebenden Lichts zu projizieren. Dadurch ist keine Hintergrundbeleuchtung in einer solchen reflektierenden Farbanzeige nötig, was die tragbare Vorrichtung leicht, dünn und energiesparend macht.
  • Um eine bestimmte Farbe herzustellen, verwenden solche reflektierenden Anzeigen Farbfilter. Die Leistungsfähigkeit des Farbfilters ist daher wichtig, um eine lebhafte bzw. leuchtende Anzeige zu erhalten. Ein Farbfilter stellt eine gewünschte Farbe her, indem er Licht einer bestimmten Wellenlänge passieren lässt und Licht anderer Wellenlängen absorbiert. Der Farbfilter hat einen großen Einfluss auf die Lei stungsfähigkeit der reflektierenden Anzeige, da er nur einen Teil des einfallenden Weißlichts passieren lässt.
  • 1 zeigt einen Querschnitt einer bekannten reflektierenden Anzeige.
  • Die reflektierende Anzeige aus 1 beinhaltet einen Übertragungs-Farbfilter 11, einen optischen Schalter 12 und einen Reflexionsspiegel 13. Der optische Schalter 12 beinhaltet zwei Polarisatoren 121, 123 und eine Flüssigkristallschicht 122, die zwischen den Polarisatoren 121, 123 angeordnet ist.
  • Bei der bekannten reflektierenden Anzeige von 1 gelangt einfallendes Licht in die Vorrichtung, indem es durch den Übertragungs-Farbfilter 11 passiert; es wird dann durch den optischen Schalter 12 eingestellt, durch den Reflexionsspiegel 13 reflektiert und verlässt die Vorrichtung schließlich, indem es den ein zweites Mal durch Übertragungs-Farbfilter 11 passiert.
  • Das Problem bei einer solchen bekannten Anzeige ist, dass die optische Leistungsfähigkeit reduziert wird, da das Licht zweimal durch den Übertragungs-Farbfilter 11 passiert, sowohl beim Eintritt in die Vorrichtung als auch beim Austreten aus der Vorrichtung. Zudem ist es problematisch, dass die Leuchtdichte und der Kontrast gering und die Farbe und die Helligkeit nicht lebhaft bzw. leuchtend sind.
  • WO 00/77566 A1 offenbart eine Anzeige mit einem integrierten Wellenlängenfilter. Der integrierte Wellenlängenfilter weist einen Distributed Bragg Reflector (verteilten Farbreflektor) auf, der die Eigenschaften von eindimensionalen Photonischen Bandabstandmaterial (One-Dimensional Photonic Band-Gap Material) hat.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine reflektierende Anzeige bereit gestellt, die folgendes aufweist: eine Mehrzahl von reflektierenden Farbfiltern, wobei jeder Farbfilter einen vorbestimmten Wellenlängenbereich des einfallenden, sichtbaren Lichts reflektiert; und eine Mehrzahl von optischen Schaltern, von denen jeder in der Nähe eines entsprechenden der Mehrzahl der reflektierenden Farbfilter angeordnet ist und diesem zugewandt ist, wobei jeder der Mehrzahl von optischen Schaltern eine vorbestimmte Farbe extrahiert durch Einstellen einer. Intensität von Ein/Aus-Frequenz von Licht, das durch den entsprechenden der Mehrzahl der reflektierenden Farbfilter reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Mehrzahl von reflektierenden Farbfiltern ein dreidimensionales photonisches Kristall aufweist, das eine periodische Anordnung von Dielektrika hat.
  • Die Erfindung stellt somit eine reflektierende Anzeige bereit, die dreidimensionale photonische Kristalle als reflektierenden Farbfilter verwendet, der ein hohes Reflexionsvermögen und eine vereinfachte Struktur hat.
  • Die Mehrzahl von reflektierenden Farbfiltern besteht vorzugsweise aus drei reflektierenden Farbfiltern, von denen jeder einer Farbe rot (R), grün (G) oder blau (B) entspricht. Die Mehrzahl der optischen Schalter besteht vorzugsweise aus drei optischen Schaltern, von denen jeder einer Farbe rot (R), grün (G) oder blau (B) entspricht.
  • Vorzugsweise weist jeder der Mehrzahl von reflektierenden Farbfiltern dreidimensionale photonische Kristalle auf, die einen Bandabstand haben, der einen Licht-Wellenlängenbereich reflektiert, der einer Farbe, die aus der Gruppe von rot (R), grün (G) oder blau (B) ausgewählt wird, entspricht. Die Photonischen Kristalle der Mehrzahl von reflektierenden Farbfiltern können dreidimensionale photonische Kristalle mit einer inversen Opalstruktur sein, die Kolloide verschiedener Größe hat. Die Kolloide sind vorzugsweise Kugeln mit Durchmessern von mehreren hundert Nanometern und sind wiederholt angeordnet in wenigstens zehn (10) Schichten, um einen ausreichenden Bandabstand zu bilden. Die Kolloide des rot (R) reflektierenden Farbfilters sind vorzugsweise am größten, um das Licht der längsten Wellenlänge aus rot (R), grün (G) oder blau (B) zu reflektieren.
  • Ein Flüssigkristall (Liquid Crystal, LC) wird vorzugsweise als jeder der Mehrzahl der optischen Schalter verwendet.
  • Die oben genannten und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch die detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verständlich werden. Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch eine bekannte reflektierende Anzeige;
  • 2 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen reflektierenden Anzeige;
  • 3 eine Darstellung eines reflektierenden Farbfilters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, der unter Verwendung dreidimensionaler photonischer Kristalle mit einer inversen Opalstruktur, die Kolloide verschiedener Größe hat, realisiert wird.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt werden. Die Erfindung kann jedoch in verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt werden. Die Ausführungsformen werden bereit gestellt, damit die Offenbarung vollständig ist und dem Fachmann den Umfang der Erfindung erläutert. In den Zeichnungen sind die Dicken der Schichten und Abschnitte aus Anschaulichkeitsgründen vergrößert. Gleiche Referenznummern beziehen sich auf gleiche Elemente.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch eine reflektierende Anzeige gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 2 dargestellt, beinhaltet eine reflektierende Anzeige einen reflektierenden Farbfilter 21 und einen optischen Schalter 22 zum Einstellen der Intensität oder An/Aus-Frequenz des Lichts, das von dem reflektierenden Farbfilter 21 reflektiert wird. Der reflektierende Farbfilter 21 weist vorzugsweise drei (3) reflektierende Farbfilter 21R, 21G und 21B zum entsprechenden Reflektieren von roten, grünen und blauen Licht auf. Der optische Schalter 22 beinhaltet vorzugsweise drei (3) optische Schalter 22R, 22G und 22B zum Herstellen einer gewünschten Farbe durch Einstellen der Menge an rotem (R), grünem (G) und blauem (B) Licht, das von einem korrespondierenden reflektierenden Farbfilter 21R, 21G oder 21G entsprechend reflektiert wird. Ein Flüssigkristall (LC) kann beispielsweise als jeder der optischen Schalter 22R, 22G, 22B verwendet werden. Auf eine detaillierte Beschreibung des optischen Schalters wird verzichtet, da dessen Struktur und Funktionsweise dem Fachmann bekannt sind.
  • Jeder optische Schalter 22R, 22G, 22B wird in der Nähe von einem entsprechenden reflektierenden Farbfilter 21R, 21G, 21B angeordnet und ist diesem zugewandt. Jeder der reflektierenden Farbfilter beinhaltet photonische Kristalle, die eine periodische Anordnung von Dielektrika haben. Photonische Kristalle werden durch Einführen bzw. Einbauen einer geeigneten Brechungsindexvariante in zwei oder drei Größen hergestellt. Jeder reflektierende Farbfilter 21R, 21G, 21B reflektiert einen gewünschten Wellenlängenbereich von Licht und lässt den Rest des Bereichs passieren, da er einen anderen photonischen Bandabstand (photonic band gap, PBG) gemäß den Eigenschaften von photonischen Kristallen aufweist.
  • Wenn die photonische Kristalle hergestellt werden, variiert die Breite und Anordnung des photonischen Bandabstands in Abhängigkeit von den Parametern der photonischen Kristalle, wie z.B. dem verwendeten Brechungsindex, der Geometrie der periodischen Struktur, den Perioden der Indexvariation u.ä. Heute werden photonische Kristalle durch Hologrammlithographie oder Selbstorganisation-Verfahren, die Kolloide mit mehreren hundert Nanometern im Durchmesser verwenden, hergestellt.
  • 3 ist eine Darstellung eines reflektierenden Farbfilters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der unter Verwendung dreidimensionaler photonischer Kristalle mit einer inversen Opalstruktur, die Kolloide verschiedener Größe hat, realisiert wurde.
  • Die Kolloide sind Kugeln mit einem Durchmesser von mehreren hundert Nanometern und sind wiederholt in wenigstens zehn (10) Schichten angeordnet, um einen ausreichenden Bandabstand zu bilden.
  • Wie in 3 dargestellt, haben die Kolloide des R-Farbfilters 21R die größte Größe, um Licht der längsten Wellenlänge aus R, G und B zu reflektieren. Die Verwendung von Farbfitern, die Kolloide verwenden, ist jedoch nur eine mögliche Ausführungsform der Erfindung. Wenn photonische Kristalle als reflektierende Farbfilter verwendet werden, können die Leistungsfähigkeit und der Kontrast aufgrund des hohen Reflexionsvermögens der photonischen Kristalle um über 90% im Vergleich zu bekannten Übertragungsfarbfiltern verbessert werden. Zudem kann der Betrachtungswinkel erweitert werden, weil die dreidimensionalen photonischen Kristalle Bandabstände in alte Einfallrichtungen haben können.
  • Es wird nun die Ausbreitung von einfallenden Licht mit Bezug auf 2 beschrieben.
  • Wenn weißes Licht in 2, nachdem es den optischen Schalter 22 passiert hat, in den reflektierenden Farbfilter 21 eintritt, wird es in einen Wellenlängenbereich, der jedem der R-, G- oder B-Farbfilter 21R, 21G oder 21B entspricht, selektiv reflektiert, dann passiert das reflektierte Licht wieder durch den entsprechenden optischen Schalter 22R, 22G, 22B. Die Menge an reflektiertem Licht kann durch den optischen Schalter 22 eingestellt werden und die gewünschte Farbe kann als Mischung von RGB-Licht realisiert werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Leistungsfähigkeit erhöht werden, weil das einfallende Licht nur einmal durch den Farbfilter reflektiert wird, während es im Stand der Technik zweimal durch den Transmissions-Farbfilter passieren muss. Zudem hat eine reflektierende Anzeige, die photonische Kristalle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwen det, eine vereinfachte Struktur, die keinen Reflexionsspiegel benötigt.
  • In den Zeichnungen wird eine Gruppe von drei. Farbfiltern gezeigt. Dem Fachmann ist klar, dass eine solche Filtergruppe für jedes Pixel in einer Mehrpixel-Anzeige bereit gestellt werden kann. Es kann entsprechend auch drei optische Schalter für jedes Pixel geben. Wie oben beschrieben, können die optischen Schalter jeweils ein Flüssigkristall sein. Jeder optische Schalter kann Teil einer einzigen durchgängigen Flüssigkristallschicht sein, die einzelnen optischen Schalterfunktionen werden dann durch einen Steuerkreis definiert, z.B. durch Pixelelektroden, die jeweils mit einem Abschnitt der Flüssigkristallschicht assoziiert sind. Diese Details sind für den Fachmann offensichtlich.

Claims (8)

  1. Reflektierende Anzeige aufweisend eine Mehrzahl von reflektierenden Farbfiltern (21), wobei jeder Farbfilter einen vorbestimmten Wellenlängenbereich des einfallenden, sichtbaren Lichts reflektiert; und eine Mehrzahl von optischen Schaltern (22), von denen jeder. in der Nähe eines entsprechenden der Mehrzahl der reflektierenden Farbfilter (21) angeordnet und diesem zugewandt ist, wobei jeder der Mehrzahl von optischen Schaltern (22) eine vorbestimmte Farbe extrahiert durch Einstellen einer Intensität von Ein/Aus-Frequenz von Licht, das durch den entsprechenden der Mehrzahl der reflektierenden Farbfilter (21) reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Mehrzahl von reflektierenden Farbfiltern (21) ein dreidimensionales photonisches Kristall aufweist, das eine periodische Anordnung von Dielektrika hat.
  2. Reflektierende Anzeige nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl der reflektierenden Farbfilter (21) drei entsprechende Farbfilter aufweist, von denen jeder einer Farbe rot (R), grün (G) oder blau (B) entspricht.
  3. Reflektierende Anzeige nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mehrzahl der optischen Schalter (22) drei optische Schalter aufweist, von denen jeder einer Farbe rot (R), grün (G) oder blau (B) entspricht.
  4. Reflektierende Anzeige nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei jeder der Mehrzahl der reflektierenden Farbfilter (21) dreidimensionale photonische Kristalle aufweist, die einen Bandabstand haben, der einen Lichtwellenlängenbereich reflektiert, der einer Farbe ausgewählt aus der Gruppe von rot (R), grün (G) oder blau (B) entspricht.
  5. Reflektierende Anzeige nach Anspruch 4, wobei die photonischen Kristalle der Mehrzahl von reflektierenden Farbfiltern (21) dreidimensionale photonische Kristalle mit einer inversen opalen Struktur sind, die Kolloide verschiedener Größe hat.
  6. Reflektierende Anzeige nach Anspruch 5, wobei die Kolloide Kugeln sind, die Durchmesser von mehreren hundert Nanometern haben und wiederholt in wenigstens zehn Schichten angeordnet sind, um einen ausreichenden Bandabstand zu bilden.
  7. Reflektierende Anzeige nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Kolloide des rot (R) reflektierenden Farbfilters (21) die größte Größe haben, um Licht der längsten Wellenlänge aus rot (R), grün (G) und blau (B) zu reflektieren.
  8. Reflektierende Anzeige nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei ein Flüssigkristall als jeder der Mehrzahl der optischen Schalter (22) verwendet wird.
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